Saage tuttavaks: tugev vastasmõju, üks neljast elementaarsest jõust universumis
Rahvusvahelise kõrgenergia-füüsikute rühma Belle Collaboration uurijad märkasid osakesi tähistusega hb (hääldus 'h-allindeksiga-b', ingl h-sub-b) Jaapanis Tsukubas tegutsevast osakestekiirendikompleksist KEK kogutud andmete hulgas. Belle Collaboration esitles töö tulemusi märtsi alguses toimunud 25. osakestefüüsika konverentsil Itaalias La Thuile’is, vahendab PhysOrg.com.
“Meie soov on mõista universumi aluseks olevat ühtset nn Kõige Teooriat, ning üks osa selle eesmärgi saavutamisest on sügavam arusaamine tugevast vastasmõjust,” rääkis USA energiaministeeriumi loodepiirkonna laboratooriumi PNNL (Pacific Northwest National Laboratory) füüsik ning Belle Collaborationi liige David Asner. “Nende uute olekute uurimine võimaldab meil panna katselisele proovile tugevat vastasmõju kirjeldavaid teooriaid.”
Monsenjöör Meson
Suurem osa inimesi on kuulnud gravitatsioonist ja isegi elektromagnetilisest vastasmõjust, ent need on vaid kaks neljast jõust, mis füüsikuid huvitavad. Tasakaalustatud arusaam universumist nõuab aga veel kahe elementaarjõu, nn tugeva vastasmõju (strong force) ja nõrga vastasmõju (weak force) uurimist.
Tugeva vastasmõju uurimiseks võtsid teadlased appi kvargid, aatomi üksikdetailidest väiksemad osakesed. Tegelikult ongi kvargid need, millest koosnevad aatomituuma moodustavad prootonid ja neutronid. Pealeselle võivad kvargid aga moodustada veel mesoneid — osakesi, mis koosnevad kvarkidest ja nende antiainelistest ekvivalentidest. Ja samamoodi nagu elektromagnetiline vastasmõju seob elektrone aatomi tuuma külge, liidab tugev vastasmõju prootonis, neutronis või mesonis ühte kvarke.
Asneri ja kolleegide uuritud mesonid koosnevad neljast b-kvargist e põhjakvargist; b-kvargid on üks kuuest kvarkide lõhnaks (ingl flavor) nimetatavast teadaolevast omadusrühmast. Selles mesonite rühmas, mida nimetatakse bottomoniumiks, sähvivad üks põhjakvark ja üks anti-põhjakvark teineteise ümber kümnekonnal eri orbiidil, millest mõne energiatase on kõrgem, mõne oma madalam. Iga orbiit vastab bottomoniumi eri “olekule”, mille aluseks on needsamad kaks, tänu Einsteini relatiivsusteooriale eri massidega kvarki.
Mesoneid nagu bottomonium tekitatakse ja uuritakse tohutusuurtes agregaatides — osakestekiirendites, nagu KEK Jaapanis või Tevatron USA riiklikus Fermi-nimelises kiirendilaboris Illinois’ osariigis Batavias. Kiirendikompleksis KEK põrkavad elektronid ülikiiretel kiirustel kokku oma antiaineliste ekvivalentide positronidega. Sellistes laupkokkupõrgetes sünnivadki ülikõrge energiaga bottomoniumi-osakesed, mis seejärel lagunevad madalama energiatasemega bottomoniumi-olekutesse. Võib öelda, et osakeste uurimine kiirendis on nagu automargi tuvastamine puruks lõhutus sõiduki tükkide põhjal.
Füüsikud on neid bottomoniumi-olekuid tuvastanud ja lahterdanud alates 1977. aastast, mil esimene bottomoniumi-osake teadlastele silma hakkas.
Kvarkide põhjalõhn ja energiavaesed spinnisingletid
14 riigi 400 füüsikust koosnev Belle Collaboration on elektrone ja positrone Jaapani KEKB-kiirendis kokku paugutanud juba enam kui kümnendi vältel. Asner ja kolleegid PNNL-ist koos Todd Pedleriga Iowas Decorah’s tegusevast Luther College’ist ühinesid Belle Collaborationiga 2010. aastal, asudes uurima varem kogutud andmeid ja otsides väga konkreetset tüüpi bottomonium-olekut, mida nimetatakse spinnisingletiks (ingl spin singlet).
Ehkki füüsikud räägivad elementaarosakeste kontekstis spinnist (termin tuleneb ingl sõna spin tähendusest “pöörlema”), ei pöörle kvargid tegelikult ümber oma telgede. Spinn viitab hoopis magnetilisusele — kvark ja antikvark on nagu tillukesed põhja- ja lõunapoolusega püsimagnetid. Spinnisingletis osutavad kvargi ja antikvargi “magnetpoolused” vastandsuundadesse ning tühistavad teineteise mõju. Seni oli teadlastel — Stanfordi ülikooli juurde kuuluva USA riikliku kiirendilaboratooriumi SLAC uurijatel 2008. aastal — õnnestunud vaadelda vaid üht tüüpi spinnisinglette nimetusega ηb ('eeta-allindeksiga-b').
Spinnisingletil ηb on kõigist bottomoniumiolekutest kõige madalam energia; spinnisingleti hb, mida ajasid taga Asner ja kolleegid, energiatase on veidi kõrgem.
Füüsikateooria kohaselt pidi spinnisinglett hb ilmuma mõne kõrgema energiatasemega bottomoniumioleku jäänustest, ent seda vaid ühel korral umbes sajast juhust, mil antud konkreetne bottomoniumiosake tükkideks laguneb. Pealeselle sülgab kõrgema energiatasemega osake hb-olekusse prantsatamise käigus välja muid, asjassepuutumatuid osakesi. Need šrapnellikillud hakkavad rikošettidena ringi lendama ja omavahel kokku põrkama, tekitades taustmüra.
Teooriast tegelikkuseks
hb-mesonite ilmnemise harukordsust ning ohtrat taustmüra arvesse võttes hakkas analüütikute meeskond röögatud andmekuhilaid läbi sõeluma. Lisaks Asneri töörühmale aitasid infoheinakuhjast mesoninõelu otsida kaks Vene teadlast: Roman Mizuk Moskva teoreetilise ja katselise füüsika instituudist ning Aleksandr Bondar Novosibirskis tegutsevast Budkeri-nimelisest tuumafüüsikainstituudist.
Töörühm ei avastanud mitte ainult osakest hb, vaid veel ühe, õige veidi kõrgema energiatasemega bottomoniumiosakese hb(2P), ning määras ka mõlema massid. Lisaks selgus, et kiirendatud osakeste kokkupõrgetes oli tekkinud eeldatust hulgalisemalt uusi osakesi, mis annab mõista, et nii hb kui hb(2P) sünnivad protsessis, mida füüsikud nimetavad eksootiliseks — mis sisuliselt tähendab, et nad pole (veel) päris kindlad, kuidas need tekivad.
Töörühm märkas bottomoniumis esimest korda ka konkreetset laadi “ülipeent lõhet”. See, kuidas kaks kvarki hb-singletis ümber teineteise spinnivad, muudab selle teiste bottomoniumi-olekutega võrreldes natuke raskemaks. Taolist imetillukest massivahet nimetatakse “ülipeeneks lõheks” (ingl hyperfine splitting), ning selle mõõtmine on ainus moodus määrata kvargispinnide otseseid suhteid teatud orbiitidel, mida nimetatakse P-laineteks. See on esimene kord, mil P-lainelist ülipeent lõhet on täheldatud bottomoniumis.
Kõige raskemad kvargid — nagu põhjakvargid — annavad tugeva vastasmõju elementaarsete omaduste mõõtmisel kõige täpsemaid tulemusi. Asneri ja tema kolleegide sooritatud mõõtmiste tulemused kujutavad endast märkimisväärset hüpet bottomonium-süsteemi mõistmises ning arusaamises spinn-interaktsioonide rollist kvark-antikvark-süsteemides. Selliste süsteemide toimimispõhimõtete adumine võimaldab neil ja teistel teadlastel tugevat vastasmõju ning selle kohta universumis katseliselt kontrollida.
Jälgi Forte uudiseid ka Twitteris!