Επιστήμονες του CERN αποκάλυψαν ένα νέο σωματίδιο παρόμοιο με το πρωτόνιο, το Ξcc+, φέρνοντας στο φως ένα βαρύτερο και από καιρό προβλεπόμενο μέλος του υποατομικού κόσμου.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στον εντοπισμό ενός άγνωστου μέχρι πρότινος υποατομικού σωματιδίου στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN.
Το σωματίδιο, που ονομάζεται Ξcc+ (Xi-cc-plus), είναι ένα βαρύ σωματίδιο σαν το πρωτόνιο, αποτελούμενο από δύο χαριτωμένα κουάρκ (charm quarks) και ένα κάτω κουάρκ (down quark).
Αυτό το εύρημα σηματοδοτεί την πρώτη ανακάλυψη σωματιδίου με τη χρήση του πρόσφατα αναβαθμισμένου ανιχνευτή LHCb. Η αναβάθμιση του ανιχνευτή ήταν μια τεράστια διεθνής προσπάθεια, στην οποία συμμετείχαν περισσότεροι από 1.000 επιστήμονες από 20 χώρες.
Το Ηνωμένο Βασίλειο είχε τη μεγαλύτερη εθνική συνεισφορά στο έργο, με τους επιστήμονες του Μάντσεστερ να αναλαμβάνουν βασικούς ηγετικούς ρόλους.
Ένας βαρύτερος συγγενής του πρωτονίου
Το Ξcc+ που ανιχνεύθηκε πρόσφατα ανήκει στην ίδια οικογένεια με το πρωτόνιο, ένα σωματίδιο που ανακαλύφθηκε στο Μάντσεστερ από τον Έρνεστ Ράδερφορντ και τους συνεργάτες του μεταξύ 1917 και 1919. Τα πρωτόνια αποτελούνται από δύο άνω κουάρκ (up quarks) και ένα κάτω κουάρκ (down quark).
Στο σωματίδιο Ξcc+, τα δύο άνω κουάρκ αντικαθίστανται από βαρύτερα χαριτωμένα κουάρκ (charm quarks). Αυτή η ανακάλυψη συνεχίζει επίσης μια μακρά επιστημονική παράδοση στο Μάντσεστερ.
Τη δεκαετία του 1950, φυσικοί από το πανεπιστήμιο ήταν οι πρώτοι που ταυτοποίησαν ένα σωματίδιο που ανήκει στην οικογένεια Ξ (Xi), διευρύνοντας την κατανόηση των επιστημόνων για το πώς τα κουάρκ συνδυάζονται για να σχηματίσουν την ύλη.
Η ηγεσία του Μάντσεστερ στην αναβάθμιση του LHCb
Ο καθηγητής Chris Parkes, επικεφαλής του Τμήματος Φυσικής και Αστρονομίας του Πανεπιστημίου, ηγήθηκε της διεθνούς συνεργασίας κατά την εγκατάσταση και την πρώτη φάση λειτουργίας του αναβαθμισμένου ανιχνευτή LHCb.
Διηύθυνε επίσης τη συμμετοχή του Ηνωμένου Βασιλείου στο έργο για περισσότερα από δέκα χρόνια, καθοδηγώντας την προσπάθεια από την έγκρισή της μέχρι την ολοκλήρωσή της.
Επιστήμονες στο Μάντσεστερ σχεδίασαν και κατασκεύασαν κρίσιμα τμήματα του συστήματος ανίχνευσης τροχιών (tracking system). Αυτά τα εξαρτήματα περιλαμβάνουν μονάδες ανιχνευτών εικονοστοιχείων πυριτίου (silicon pixel detector modules), οι οποίες συναρμολογήθηκαν στο κτίριο Schuster του Πανεπιστημίου.
Οι ανιχνευτές αυτοί επιτρέπουν στους ερευνητές να παρακολουθούν τις διασπάσεις των σωματιδίων με εξαιρετική ακρίβεια, καθιστώντας δυνατό τον εντοπισμό σημάτων από το σωματίδιο Ξcc+.
Ο καθηγητής Parkes δήλωσε: «Το πείραμα του Ράδερφορντ με το φύλλο χρυσού σε ένα υπόγειο του Μάντσεστερ μεταμόρφωσε την κατανόησή μας για την ύλη, και η σημερινή ανακάλυψη βασίζεται σε αυτή την κληρονομιά χρησιμοποιώντας τεχνολογία αιχμής στο CERN. Και τα δύο ορόσημα αποδεικνύουν πόσο μακριά μπορεί να μας οδηγήσει η έρευνα που ωθείται από την περιέργεια. Αυτή η ανακάλυψη αναδεικνύει την εξαιρετική ικανότητα του αναβαθμισμένου ανιχνευτή LHCb και τη δύναμη της συνεισφοράς του Ηνωμένου Βασιλείου και του Μάντσεστερ στο πείραμα».
Ένας ανιχνευτής που καταγράφει 40 εκατομμύρια εικόνες σωματιδίων το δευτερόλεπτο
Ο Δρ. Stefano De Capua από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ ηγήθηκε της παραγωγής των μονάδων του ανιχνευτή πυριτίου.
Εξήγησε ότι ο ανιχνευτής λειτουργεί σαν μια εξαιρετικά γρήγορη κάμερα. «Ο ανιχνευτής είναι μια μορφή ‘κάμερας’ που απεικονίζει τα σωματίδια που παράγονται στον LHC και τραβάει φωτογραφίες 40 εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο. Χρησιμοποιεί ένα ειδικά σχεδιασμένο τσιπ πυριτίου, το οποίο διαθέτει επίσης μια παραλλαγή για χρήση σε εφαρμογές ιατρικής απεικόνισης».
Πώς οι επιστήμονες ταυτοποίησαν το σωματίδιο Ξcc+
Οι ερευνητές ανίχνευσαν το Ξcc+ παρατηρώντας πώς αυτό διασπάται σε τρία ελαφρύτερα σωματίδια (Λc+ K– π+). Αυτά τα προϊόντα διάσπασης καταγράφηκαν κατά τη διάρκεια συγκρούσεων πρωτονίου-πρωτονίου στον LHC το 2024, το πρώτο έτος που το αναβαθμισμένο πείραμα LHCb λειτούργησε με πλήρη ισχύ.
Οι επιστήμονες παρατήρησαν ένα σαφές σήμα που αποτελείτο από περίπου 915 γεγονότα (events) με μετρούμενη μάζα 3619,97 MeV/c². Αυτή η μέτρηση συμφωνεί με τις προβλέψεις που βασίστηκαν σε ένα συγγενικό σωματίδιο που είχε ανακαλυφθεί προηγουμένως, το Ξcc++.
Επίλυση ενός επιστημονικού ερωτήματος δύο δεκαετιών
Για περισσότερα από είκοσι χρόνια, οι φυσικοί αμφισβητούσαν παλαιότερους ισχυρισμούς ότι αυτό το σωματίδιο είχε παρατηρηθεί. Εκείνα τα παλαιότερα αποτελέσματα δεν επιβεβαιώθηκαν ποτέ.
Η νέα μέτρηση από το πείραμα LHCb προσδιορίζει το Ξcc+ σε μια μάζα που δεν συμφωνεί με τον προηγούμενο ισχυρισμό, αλλά ευθυγραμμίζεται με τις θεωρητικές προβλέψεις που βασίζονται στο ήδη γνωστό συζευγμένο σωματίδιο.
Η επόμενη φάση της έρευνας στο CERN
Κοιτάζοντας μπροστά, το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ αναλαμβάνει ηγετικό ρόλο στο επόμενο στάδιο του προγράμματος LHC, γνωστό ως LHCb Upgrade 2. Αυτή η προσπάθεια θα χρησιμοποιήσει τον επιταχυντή LHC Υψηλής Φωτεινότητας (High-Luminosity LHC) για τη συλλογή πολύ μεγαλύτερων όγκων δεδομένων, επιτρέποντας ακόμη πιο λεπτομερείς μελέτες σπάνιων σωματιδίων.
Λεπτομέρειες για την ανακάλυψη του Ξcc+ παρουσιάζονται στο συνέδριο Rencontres de Moriond Electroweak.
