O nouă particulă sau un proces încă necunoscut? Acesta era misterul unui experiment de la CERN – COMPASS – care a măsurat în 2015 un proces care era oarecum misterios întrucât dădea naștere a ceea ce părea o nouă particulă care însă avea proprietăți bizare. Recent, noi analize arată cum că aceste rezultate pot fi explicate de către așa-numita singularitate triunghiulară, un proces în care quarcii interacționează în mod diferit față de procesele cunoscute până în prezent: este vorba despre o interacțiune de trei corpuri.

Quarcii și interacțiunea puternică

În lumea particulelor elementare quarcii joacă un rol extrem de important: sunt la baza protonilor și a neutronilor, dar și a altor particule care conțin quarci. Quarcii se pot grupa de exemplu în număr de trei (cum e cazul protonilor și al neutronilor) sau un quark și un anti-quark în cadrul așa-numiților mezoni. Nu există quarci liberi și acest lucru a fost explicat prin proprietățile forței (interacțiunii) nucleare puternice – cea care explică cum se leagă quarcii între ei pentru a forma particulele compuse. Teoria care descrie interacțiunea nucleară puternică se numește cromodinamica cuantică iar purtătorul interacțiunii nucleare puternice – mesagerul acesteia – este gluonul; un fel de foton al interacțiunii nucleare puternice. Această interacțiune are proprietăți oarecum bizare: de exemplu atunci când quarcii se îndepărtează interacțiunea devine din ce în ce mai puternică; exact invers față de interacțiunea electromagnetică, care pe măsură ce distanța crește devine din ce în ce mai slabă. Acest lucru are de-a face cu faptul că spre deosebire de fotoni care nu au sarcină electrică, cea responsabilă de interacțiunea electromagnetică, gluonii au sarcina ce stă la baza interacțiunii puternice (care se numește sarcina de culoare).

Particule exotice

În acest context multe experimente la acceleratoare de particule caută particule exotice: adică formate din mai mulți quarci – cum ar fi doi quarci și doi anti-quarci sau șase quarci… deci configurații care să respecte regulile teoriei, însă să conțină mai mult decât numărul minim de quarci. O astfel de particulă părea că ar fi fost observată în 2015 de către experimentul COMPASS la CERN în interacțiuni ale pionilor (particule compuse dintr-un quark și un antiquark) cu hidrogenul. Particula a1(1420) părea să fie o nouă particulă cu o structură ce trebuia încă înțeleasă.

Singularitate triunghiulară

Un studiu recent însă, publicat în revista Physical Review Letters, arată cum a1(1420) poate fi explicată cu o așa-numită singularitate triunghiulară – adică o interacțiune mai complicată între quarcii pionilor și ai nucleelor hidrogenului (protonii). Procesul are de-a face cu interacțiuni între trei corpuri și a fost prevăzut din anii ’50 de către marele fizician rus Lev Davidovich Landau, însă până în prezent nu fusese descoperit. Noile analize de date prezentate în articolul menționat arată cum a1(1420) nu este o nouă particulă deci şi rezultatul acestei singularități care apare precum o nouă particulă.

La ce folosește acest studiu?

Pe lângă a lămuri existența (sau nu) a unei noi particule și a confirma un proces prevăzut acum mulți ani, acest studiu este important întrucât ne ajută să înțelegem mai bine proprietățile interacțiunii nucleare puternice. Unul dintre misterele acestei interacțiuni care nu este încă pe deplin descifrat este masa particulelor – precum protonii și neutronii – care nu este nicidecum suma maselor quarcilor din care sunt compuse (adică cei trei quarci pomeniți anterior). Masa protonului este mult mai mare decât această suma. Cum ia naștere această masă? Mecanismul este deosebit de complex și are de-a face cu caracteristicile interacțiunii nucleare puternice; procese precum singularitatea triunghiulară ne ajută să înțelegem mai bine aceste procese, ceea ce contribuie inclusiv la o mai bună cunoaștere a mecanismelor care dau naștere masei nucleelor atomilor. Această masă este mare parte inclusiv din masa noastră – întrucât contribuția electronilor din atomi este mult mai mică (de mai bine de o mie de ori mai mică) decât masa nucleelor. 

Credit imagine: Bernhard Ketzer/Uni Bonn

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe