Cząstka Y(4140)

Cząstka Y(4140) – egzotyczna cząstka elementarna o masie około 4140 MeV, zidentyfikowana po raz pierwszy na początku 2009 roku w Tevatronie. Informacja o jej odkryciu podana została oficjalnie przez Fermilab 17 marca 2009. Wstępne wyniki badań wskazują, że ze względu na egzotyczne własności, cząstka ta nie mieści się w istniejących aktualnie schematach tworzenia cząstek jako kombinacji kwarków i antykwarków.

Identyfikacja cząstki Y

Cząstka $Y$ została zidentyfikowana podczas obserwacji rozpadu mezonu $B^{+}$ – cząstki złożonej z kwarka b zwanego dennym lub pięknym oraz z antykwarka. Spośród miliardów zderzeń proton – antyproton, w wyniku czego powstawały mezony $B^{+}$ i $B^{-},$ identyfikowano niewielką ilość mezonów $B^{+},$ które ulegały następnie rozpadowi w zupełnie nieprzewidywany sposób. Mezony te rozpadały się na mezon $K$ oraz nieznaną dotąd cząstkę $Y.$ Krótkotrwała cząstka $Y$ rozpadała się następnie na mezony $\varphi$ oraz $J/\psi .$ Z kolei mezon $\varphi$ rozpadał się na mezony $K^{+}$ i $K^{+},$ a mezon $J/\psi$ na dwa miony o przeciwnych ładunkach elektrycznych $\mu ^{+}$ i $\mu ^{-}.$ Schemat rozpadów wyglądał więc następująco:

• $B^{+}\;\to \;Y+K$
• $Y\;\to \;\varphi +J/\psi$
• $\varphi \;\to \;K^{+}+K^{-}$
• $J/\psi \;\to \;\mu ^{+}+\mu ^{-}$

Taki sposób rozpadu cząstki $Y$ stanowił dużą niespodziankę dla badaczy, gdyż nie mieścił się on w istniejących schematach teoretycznych rozpadu cząstek.

Własności cząstki Y

Interpretacja rozpadu cząstki $Y$ stanowi dla fizyków poważny problem. Dotychczas znane są bowiem jedynie dwa sposoby istnienia stanów związanych kwarków: pary kwark – antykwark tworzące mezony oraz układy złożone z trzech kwarków tworzące bariony. Cząstka $Y$ nie mieści się w żadnym z powyższych schematów. W konsekwencji nie bardzo wiadomo, czym jest ona w rzeczywistości oraz z jakich składników jest zbudowana. Potwierdza to następująca wypowiedź prof. Jacobo Konigsberga z Uniwersytetu Florydy, jednego z uczestników eksperymentu przeprowadzonego w Tevatronie: So far, we’re not sure what that is, but rest assured we’ll keep on listening.

Rozpad cząstki $Y$ na $\varphi$ oraz $J/\psi$ sugeruje, że być może składa się ona z kwarka c zwanego powabnym oraz antykwarka c, lecz zaobserwowane własności procesu nie odpowiadają konwencjonalnej charakterystyce takiego rozpadu. Inną możliwością proponowaną przez fizyków jest hybrydowy charakter cząstki $Y,$ która oprócz kwarków i antykwarków zawierałaby także w swoim składzie gluony. Pojawiają się nawet sugestie, że cząstka $Y$ stanowić może układ związany złożony z czterech kwarków i antykwarków. Dotychczas zarówno związane stany hybrydowe, jak i układy złożone z czterech kwarków nie były obserwowane.

Niektórzy specjaliści uważają, że cząstka $Y$ może być hadronem egzotycznym, przedstawicielem nieznanej wcześniej z eksperymentów rodziny hadronów (stanów związanych utworzonych z kwarków i antykwarków), różnej od znanych już barionów i mezonów. W rzeczywistości w ostatnich latach obserwowano już w Tevatronie podobne, niezwykłe charakterystyki rozpadów, były one jednak znacznie słabiej udokumentowane. Nietypowe rozpady cząstek obserwowano też w akceleratorze KEK w Japonii oraz akceleratorze SLAC w Kalifornii.

Uczestnik eksperymentów przeprowadzonych w KEK, japoński profesor Masanori Yamauchi wskazuje na podobieństwo własności cząstki $Y$ do zidentyfikowanej w KEK cząstki o masie 3940 MeV. Sugeruje on, że obydwie cząstki stanowić mogą początek nowej, egzotycznej rodziny hadronów złożonych z kwarków powabnych.

Ze względu na ograniczoną ilość wyników eksperymentów struktura i własności cząstki $Y$ stanowią w chwili obecnej problem otwarty. We’re building upon our knowledge piece by piece, and with enough pieces, we’ll understand how this puzzle fits together (Składamy naszą wiedzę kawałek po kawałku i gdy zdobędziemy wystarczającą ich ilość, wówczas będziemy w stanie złożyć te puzzle w jedną całość) – powiedział Rob Roser, pracownik Fermilabu.

Bibliografia

• Informacje Fermilabu