Tajanstvena 'Čestica Iks' mogla bi nam pomoći da razumemo rođenje stvarnosti

Naučnici su zahvaljujući Velikom hadronskom sudaraču postigli nagli napredak, nedavno čak detektujući neuhvatljivu česticu sa početka vremena.

Ovim otkrićem koje otvara prozor u rađanje univerzuma, naučnici su otkrili neuhvatljive „čestice Iks“ kao neku vrstu “onostrane” posledice visokoenergetskih sudara na Velikom hadronskom sudaraču (LHC), najmoćnijem akceleratoru čestica na Zemlji.

Ove čestice kratkog veka nazvane su „Iks“, jer je njihova unutrašnja struktura nepoznata, a postojale su u onim haotičnim mikrosekundama nakon Velikog praska, kada je univerzum bio ispunjen uzburkanom, subatomskom supom po imenu kvark-gluonska plazma. Ove čestice su, međutim, izuzetno retke u sadašnjem univerzumu, zbog čega su mnoga njihova svojstva pod velom tajne.

Zato su naučnici toliko oduševljeni nakon što su snimili raspad oko 100 ovih čestica Iks pomoću Kompaktnog mionskog solenoida (CMS), detektora čestica na LHC-u. „Rezultat pruža jedinstven eksperimentalni doprinos teorijskom modelu“ proizvodnje čestica Iks kao i „prirode ovog egzotičnog stanja“, prema novoj studiji objavljenoj u Physical Review Letters.

Čestice Iks su prvobitno otkrivene u eksperimentu iz 2003. godine, ali su se isuviše brzo raspale da bismo ih detaljno analizirali. Novo otkriće označava prvi put da su naučnici uhvatili čestice unutar kvark-gluonske plazme, što im je omogućilo da se fokusiraju na neka svojstva koja do sada nismo mogli da okarakterišemo.

Otkriće čestica Iks u kvark-gluonskoj plazmi „veoma je teško i novo!” napisao je u imejlu Jen-Ji Li, vanredni profesor fizike na MIT-ju u klasi 1958 Razvoja karijere, i glavni autor nove studije.

„Pre svega, kvark-gluonska plazma proizvodi na desetine hiljada čestica“, primetio je, što je za nekoliko redova veličine više nego u eksperimentu iz 2003. godine, zabeleženom detektorom Belle u japanskom postrojenju KEKB, koje je proizvelo znakove raspada od nekoliko čestica Iks.

Pored toga, „eksperiment urađen u CMS-u sa relativističkim sudarima teških jona mnogo je sličniji načinu na koji priroda proizvodi čestice Iks u ranom univerzumu“, nastavio je Li. Iz tog razloga je CMS tehnika otvorila novi, do sada neviđeno detaljan način da se struktura i ponašanje ovih čestica posmatraju, što će pomoći pri osvetljavanju mračnih početaka kosmosa.

Oba eksperimenta su generisala čestice Iks sudaranjem sitnih delova materije pri velikim brzinama, procesom koji stvara čorbu čudnih subatomskih čestica koje je teško primetiti u drugim sredinama. Na primer, CMS eksperiment je nadgledao neočekivane posledice milijardi sudara između olovnih jona, koji su stvorili bizarnu kvark-gluonsku plazmu.

Pošto se čestice Iks raspadaju gotovo odmah nakon formiranja, izuzetno ih je izazovno uhvatiti. Jing Vang, postdoktorski istraživač MIT-ja i član CMS kolaboracije, razvio je tehniku za prevazilaženje ove prepreke: algoritam za mašinsko učenje projektovan da uoči znakove raspada čestice Iks poznate kao Iks (3872).

Ova inovacija je zasnovana na prethodnim studijama koje su koristile mašinsko učenje za otkrivanje čestica kao što je Higsov bozon. Kada su Li i njegove kolege primenili algoritam na skup podataka o sudarima teških jona iz 2018, rezultati su ih oduševili.

"Iznenadili smo se kada smo videli da smo dobili tako veliki signal u sudarima teških jona (koji proizvode kvark-gluonsku plazmu) jer je bio skoro 10 puta veći od onoga što smo mogli da vidimo u sudarima između protona", rekao je Li. „Predviđamo da bi se proizvodnja Iks (3872) mogla znatno poboljšati u prisustvu kvark-gluonske plazme, ali smo sve ovo napokon uspeli da vidimo u eksperimentalnim podacima preuzetim sa kolegama iz CMS-a i CERN-a.

„Činjenica da smo tako brzo uspeli da otkrijemo signal Iks sa kolegama iz CMS-a u CERN-u bila je veoma uzbudljiva za nas!“ dodao je.

Li je primetio da je timu potrebno više podataka kako bi procenili tačnu veličinu unapređenja proizvodnje čestica Iks u kvark-gluonskoj plazmi, ali ti rezultati bi uskoro trebalo da budu dostupni. CMS kolaboracija se takođe nada da će se nadovezati na svoje nalaze istražujući strukturu Iks (3872). Na primer, istraživači žele da vide da li mogu da se fokusiraju na prave čestice Iks u kvark-gluonskoj plazmi, umesto što detektuju proizvode raspadanja Iks (3872).

Tim takođe želi da odgovori na osnovno pitanje o Iks (3872): Šta je to dođavola? Jedna hipoteza sugeriše da je čestica tetrakvark, iliti izuzetno retka vrsta čestice koja se sastoji iz četiri kvarka. Ali neki naučnici predlažu da se možda radi o mezonskom molekulu, tipu čestice koji se sastoji iz dva mezona, i nikada ga ranije nismo videli.

„Iks (3872) je najbolji kandidat za mezonske molekule!“ rekao je Li. „Ako se ispostavi da je Iks (3872) mezonski molekul, pokazujemo da mora postojati mnogo različitih vrsta mezonskih molekula u ranom univerzumu“, dodao je, što bi značilo da je ova era „bila ispunjena ne samo običnim hadronima, već i mnogim drugim egzotičnim česticama.”

„Biće uzbudljivo pratiti ovu nit istraživanja sa mnogo većom količinom podataka koje će obezbediti eksperimenti na Velikom hadronskom sudaraču“, zaključio je.

Zaista, ove čestice Iks mogu pružiti širi uvid u vrstu okruženja koje je postojalo u tim vrelim i turbulentnim trenucima nakon Velikog praska. Pošto ovu drevnu eru ne možemo posmatrati direktno, naučnici treba da rekreiraju simulacije iste u moćnim objektima kao što je LHC, da bi razumeli šta je bilo moguće tokom rađanja univerzuma – i kako je sve to dovelo do veoma drugačijeg kosmičkog okruženja u kojem danas živimo.