Tetrakvarken bevisad

Den 9 april gick kärnforskningscentret Cern ut med nyheten att forskare vid detektorn LHCb (Large Hadron Collider-beauty) observerat en exotisk partikel som inte kan klassificeras inom de teoretiska modellerna. Nykomlingen har av Tomasz Skwarnicki bekräftats vara en exotisk hadron, och består av fyra kvarkar – därav benämningen tetrakvark. Partikeln har döpts till Z(4430); siffran anger dess massa 4430 MeV, vilket är cirka fyra gånger protonens massa.

Hadroner är subatomära partiklar uppbyggda av kvarkar. Hadroner påverkas av den starka växelverkan och är av två slag: kortlivade mesoner (en kvark och en antikvark), och baryoner (tre kvarkar) – exempelvis protoner och neutroner som bildar atomkärnor. Ingen hittills upptäckt partikel har haft mer än tre kvarkar. Nu uppenbarar sig alltså en exotisk hadronvariant med hela fyra (två kvarkar, två antikvarkar). Tablå!

Bokstavligt talat: den nya exotiska hadronen är som en gäst som kommer när man redan serverat soppan. Visserligen en gäst man vetat att invänta. Men det blir en del omplaceringar i tabellerna.

Detta har hänt: 2007 upptäckte ett internationellt team, Belle Collaboration, vid Japans KEK-accelerator spår av en exotisk partikel som fick namnet Z(4430) och verkade bestå av fyra kvarkar. Det internationella forskarsamfundet förhöll sig kritiskt till upptäcktens evidensvärde.

Några år senare framlade forskargruppen BaBar med stöd av experiment vid amerikanska SLAC (med vassare utrustning) ytterligare tvivelsmål om Belle-resultaten. Belle kontrade med nya experiment, och ny analys av sina egna data.

Vid Cern har Skwarnickis LHCb-team under det senaste året reanalyserat tidigare data, och utfört egna experiment, och har alltså nu utom allt rimligt tvivel bekräftat existensen av den kontroversiella exotiska hadronen Z(4430).

’Heureka!’ räcker inte: Vetenskapliga upptäckter har en stenig väg att gå, eftersom principen är att ingenting är säkert förrän det är empiriskt bevisat – med minst två oberoende experiment. Kari Rummukainen, professor i teoretisk partikelfysik vid Helsingfors universitet, bedömer tetrakvarken som ett tillförlitligt forskningsrön.

”Denna exotiska hadrons existens har förutspåtts redan länge, och Cerns upptäckt är den första som uppfyller evidenskriterierna.”

Han påpekar att tetrakvarken inte – i motsats till Higgspartikeln som uppdagades 2012 – är en ny elementarpartikel. Hadroner är bundna tillstånd av kvarkar och gluoner.

”Upptäckten av tetrakvarken, som tros bestå av två olika kvarkar och två antikvarkar, ger kunskap om en ny typ av bundet tillstånd mellan kvarkar och gluoner, och har betydelse för teorin om den starka växelverkan som styr dessas beteende.”

Exotiska partiklar är synnerligen svåra att framställa, och deras ’livslängd’ är extremt kort med nästan momentant sönderfall, vilket försvårar upptäckt av dem. Rummukainen finner det sannolikt att även andra exotiska hadroner kommer att upptäckas, pentakvarkar (fyra kvarkar och en antikvark), och hexakvarkar (sex kvarkar i bundet tillstånd).

”Tetrakvarkar raserar inte den nuvarande partikelfysiken, eftersom deras existens får stöd i teorin om den starka växelverkan.”

Vad har neutronstjärnor i magen? Vid Cern är upptäckten framför allt ett vetenskapligt arbetsredskap. Liksom hela upptäcktsstigen ner mot allt mindre beståndsdelar i materien, visar tetrakvarken att det fortfarande finns jobb att göra för att fördjupa kunskapen om materiens väsen.

Med världens kraftfullaste accelerator har Cern-forskarna åstadkommit en partikel som troligen existerade bara någon mikrosekund efter Stora Smällen.

Ny kunskap triggar också spekulationer. Z(4430) binder samman kvarkar på en hittills aldrig observerat sätt, och initierar frågan om det finns något tak för hur många kvarkar som kan klimpa ihop sig. Fortsatt forskning kan leda till större förståelse för kvantkromodynamik, QCD, teorin om hur kvarkar och gluoner växelverkar.

Och till fördjupad kunskap om neutronstjärnor och materiens exotiska tillstånd i deras kärna. Neutronstjärnors kärnor har så hög densitet att atomkärnor ’löses upp’ till ett slags neutronsoppa. Tills vidare finns ingen kunskap om hur materie beter sig under så extrema förhållanden.

Existensen av tetrakvarkar kunde enligt Universe Today göra det möjligt för dessa neutroner att genom den starka växelverkan generera tetrakvarkar, pentakvarkar, hexakvarkar – och rentav kvarkar som växelverkar individuellt, utan bindning till så kallade färgneutrala partiklar. Detta skulle skapa en kvarkstjärna, ett hypotetiskt objekt.

Ragnhild Artimo text