Cząstek jest więcej, o wiele więcej
We współczesnej fizyce na najbardziej podstawowym poziomie materia jest podzielona na dwa rodzaje cząstek. Z jednej strony są kwarki, które najczęściej wiążą się ze sobą, tworząc protony i neutrony, a te z kolei tworzą jądra atomów. Z drugiej występują leptony, czyli wszystko inne co ma masę - od zwykłych elektronów, przez bardziej egzotyczne miony i taony, do nikłych, prawie niewykrywalnych neutrin.
W normalnych warunkach cząstki te trzymają się w swoim gronie. Kwarki oddziałują przede wszystkim z innymi kwarkami, a leptony z innymi leptonami. Fizycy podejrzewają jednak, że istnieje więcej cząstek niż członkowie wyżej wymienionych klanów. O wiele więcej.
Jedna z tych proponowanych od niedawna nowych klas cząstek nosi nazwę leptokwarków. Nikt nigdy nie znalazł bezpośrednich dowodów na ich istnienie, ale badacze dostrzegają pewne przesłanki, że to możliwe. Gdyby udało się to ostatecznie udowodnić, leptokwarki wypełniłyby lukę pomiędzy leptonami i kwarkami, łącząc się z oboma rodzajami cząstek. We wrześniu 2019 r. na serwerze przedruków naukowych ar xiv eksperymentatorzy pracujący w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) opublikowali wyniki kilku doświadczeń, mających potwierdzić lub wykluczyć istnienie leptokwarków.
- Stały się one jednym z najbardziej kuszących pomysłów na rozszerzenie naszych obliczeń, ponieważ umożliwiają wyjaśnienie zaobserwowanych anomalii - powiedział w oświadczeniu dla mediów Roman Kogler, fizyk w LHC.
Czym są te anomalie? Wcześniejsze eksperymenty w LHC, Fermilabie i w innych miejscach przyniosły dziwne wyniki - większą liczbę zdarzeń, w których powstały cząstki, niż przewidywała to dominująca teoria fizyki. Leptokwarki, które rozpadają się na fontanny innych cząstek wkrótce po swoim powstaniu, mogłyby wyjaśnić te dodatkowe zdarzenia. Prace fizyków wykluczyły istnienie niektórych rodzajów leptokwarków, wskazując, że cząstki "pośrednie", które wiązałyby leptony z kwarkami na poszczególnych poziomach energetycznych, jeszcze się nie pojawiły w wynikach. Warto pamiętać, że wciąż istnieją szerokie zakresy energii do spenetrowania.
Cząstki międzypokoleniowe
Yi-Ming Zhong - fizyk z Uniwersytetu w Bostonie i współautor publikacji teoretycznej z października 2017 r. na ten temat, opublikowanej w "The Journal of High Energy Physics" jako "The Leptoquark Hunter's Guide" - stwierdził, że choć poszukiwania leptokwarków są niezwykle ciekawe, to przyjmowana obecnie wizja cząstki jest zbyt wąska.
Fizycy cząstek dzielą cząstki materii nie tylko na leptony i kwarki, ale także na kategorie, które nazywają "pokoleniami". Kwarki górny i dolny, jak również elektron i neutrino elektronowe są kwarkami i leptonami "pierwszej generacji". Druga generacja obejmuje powabne i dziwne kwarki, a także miony i neutrina mionowe. A kwarki wysokie, piękne, taony i neutrina taonowe tworzą trzecią generację. Cząstki pierwszej generacji są lżejsze i bardziej stabilne, podczas gdy te należące do drugiej i trzeciej są coraz masywniejsze i mają coraz krótszy okres życia.
Wyniki poszukiwań naukowych opublikowane przez naukowców z LHC zakładają, że leptokwarki pozostają w zgodzie z zasadami pokoleniowymi, które rządzą znanymi cząstkami. Trzecia generacja leptokwarków może łączyć się z taonem i kwarkiem pięknym. Drugie pokolenie można połączyć z mionem oraz kwarkiem dziwnym. I tak dalej.
Jednak Zhong w rozmowie z serwisem "Live Science" powiedział, że trzeba w poszukiwaniach założyć, iż istnieją "wielopokoleniowe leptokwarki", przeskakujące od elektronów pierwszej generacji do kwarków trzeciej generacji. Jak dodał, naukowcy są skłonni zbadać taką możliwość.
Można by zapytać, po co szukać leptokwarków i jakie one ewentualnie mogą mieć znaczenie. Teoretycznie bardzo duże. Niektóre bowiem teorie wielkiej unifikacji w fizyce przewidują istnienie cząstek sprzęgających się do leptonów i kwarków, nazywanych właśnie leptokwarkami. Ich odkrycie zatem to może jeszcze nie znalezienie, ale na pewno wskazanie drogi do Świętego Graala nauki.
Mirosław Usidus
