Po devíti letech je dvojice kompletní: Proč fyziky zajímá nový doubly-charmed baryon?

Chybějící polovina dvojice

Světem proletěla zpráva o pozorování částice Ξ⁺_cc. Při pročítání článků (nejen) v českých médiích může čtenář nabýt dojmu, že se teď zásadně změní naše chápání světa. Druhý extrém je pak ten, že jde jen o další přírůstek do stále se rozrůstajícího katalogu hadronů (z řeckého hadros – tlustý, těžký), tedy částic složených z kvarků – základních stavebních kamenů hmoty. No, koneckonců, jen experimenty na LHC jich dosud objevily rovných 80 (resp. 83, počítáme-li i předběžné výsledky). Ani jeden extrém, jak to tak bývá, není správný. U objevu Ξ⁺_cc je totiž důležité něco jiného. LHCb tím doplnil dvojici částic, které mají téměř stejnou vnitřní stavbu a liší se jen jedním lehkým kvarkem. Právě to umožňuje mnohem čistší srovnání s teorií, než když máte k dispozici jen jediný osamocený stav.

Nový baryon Ξ⁺_cc obsahuje dva kvarky charm (c) a jeden kvark down (d) – složení má tedy ccd. Jeho dříve objevený partner Ξ⁺⁺ _cc má místo kvarku down kvark up (u), dohromady tedy ccu. Protože se kvarky up a down od sebe hmotností liší relativně málo, teorie předpovídá, že oba příbuzné baryony budou mít velmi podobnou hmotnost, ale odlišné rozpadové vlastnosti a dobu života.

Baryony říkáme hadronům složeným ze tří kvarků. Nejznámější proton tvoří dva kvarky up a jeden down (uud); neutron naopak dva down a jeden up (ddu). Nově pozorovaný Ξ⁺_cc je také baryon, jen mnohem těžší – váží zhruba čtyřikrát víc než proton. A důvod je prostý: místo dvou lehkých kvarků up v něm sedí dva těžké kvarky charm, tedy příbuzní z další generace základních částic Standardního modelu, kteří mají stejný náboj a stejné vlastnosti jako up kvarky, jen podstatně větší hmotnost.

Podle Standardního modelu existuje 12 základních částic hmoty: 6 kvarků (kromě již zmíněných ještě strange, top a bottom) a 6 leptonů (elektron, mion, tauon a jejich neutrina), ke každému pak přísluší patřičná antičástice... a kvarky se navíc dodávají v několika barevných variantách (barva je v tomto případě jen další kvantové číslo). Z dálky to celé může vypadat, že fyzikové nedělají nic jiného, než že si hrají s Legem a z různě velkých a různě barevných kostiček skládají nové a nové částice. No, trochu to tak je. Ale samozřejmě je za tím vším schovaná mocná a zajímavá teorie – nejlepší, jakou zatím máme. To ale neznamená, že se nemusí testovat. Ostatně, spousta fyziků se domnívá, že existuje teorie lepší, která jednou Standardní model nahradí.

Jeden objev nestačí

LHCb v roce 2017 objevil Ξ⁺⁺ _cc a tím poprvé spolehlivě potvrdil existenci baryonů se dvěma charm kvarky. To byl zásadní krok. Jenže jeden potvrzený stav ještě není ideální laboratoř. Teprve když máte oba členy dvojice, můžete srovnávat jejich hmotnosti, doby života a způsoby rozpadu a ptát se, zda to opravdu sedí s výpočty založenými na kvantové chromodynamice (QCD). Izolovaný objev je důležitý, ale kompletní dvojice je fyzikálně mnohem užitečnější.

Částice Ξ⁺_cc byla dlouho očekávaná, ale experimentálně se hledala podstatně hůř než její partner Ξ⁺⁺ _cc . Její předpokládaná doba života je až šestkrát kratší – a právě to dělá pozorování mnohem těžší. Kratší doba života znamená, že se částice rozpadne blíž k místu vzniku (při srážce protonů na urychlovači LHC), rozpadový vrchol je méně výrazně oddělený a rekonstrukce v datech je náročnější. Oproti svému příbuznému je navíc nenápadnější – má elektrický náboj +1 (měřeno v jednotkách náboje elektronu), takže v datech mnohem méně „vyčnívá” než Ξ⁺⁺ _cc s nábojem +2.

Starý spor, nový důkaz

Ξ⁺_cc nežije dost dlouho na to, aby ji detektor „viděl” přímo. LHCb ji rekonstruuje z produktů rozpadu:

Ξ⁺ _cc → Λ⁺ _c K⁻π⁺

přičemž samotné Λ⁺_c se dále rozpadá na pK⁻π⁺. Fyzikové v obrovském množství experimentálních dat skládají možné kombinace těchto stop a pro každou takovou kombinaci počítají tzv. invariantní hmotnost – veličinu odvozenou z naměřených energií a hybností, která nezávisí na pohybu pozorovatele. Pokud daná kombinace stop skutečně pochází z rozpadu hledané částice, vyjde invariantní hmotnost rovna její klidové hmotě. Náhodné kombinace dávají různé hodnoty a tvoří plynulé pozadí – skutečný signál se projeví jako výrazný vrchol, který je ale kvůli rozlišení detektoru často docela „rozmazaný”. Nejzákladnějším a zároveň nejnázornějším testem je porovnání se záměrně špatnou kombinací stop (např. jedna koncová částice má opačný, tedy špatný náboj). Zde jsou pak všechny kombinace náhodné a vrchol se nesmí objevit.

V datech LHCb, těch se správnou kombinací stop, se v oblasti kolem 3620 MeV/c² objevil signál čítající zhruba 915 událostí s významností přes sedm sigma – tedy vysoko nad obvyklou hranicí pěti sigma, která se v částicové fyzice považuje za dostatečnou pro oznámení objevu.

Že rekonstrukce a analýza rozpadu nejsou žádná sranda, dokládá i to, že příběh doubly-charmed baryonů nezačal roku 2017 na LHCb, ale už roku 2002 na experimentu SELEX (Fermilab, USA). Ten právě roku 2002 publikoval kandidáta na Ξ⁺_cc, ovšem s výrazně nižší hmotností, než naměřilo LHCb. Následné hledání na experimentech FOCUS, BaBar, Belle a v dřívějších datech LHCb nic takového nepotvrdilo. Dodnes není jisté, jestli bylo měření SELEXu jen nepřesné, nebo tehdy fyzikové pozorovali něco jiného.

Upgrade LHCb

Důležité (i když pro teoretiky méně zajímavé) je i čím byl objev učiněn. Pozorování Ξ⁺_cc je totiž první objev nové částice provedený upgradovaným detektorem LHCb (přestavba byla dokončena v roce 2023). A není to náhoda – bez upgradu by to pravděpodobně vůbec nešlo.

Zásadní roli hrála přesnější měření rozpadových vrcholů novým VErtex LOkátorem (VELO). Ten je umístěn pouhých pět milimetrů od svazku letících protonů v LHC a snímá stopy částic čtyřicetmilionkrát za sekundu (40 MHz – porovnejte si toto číslo s frekvencí „rychlých” kamer). K tomu lepší identifikace nabitých hadronů a hlavně plně softwarový trigger – jakýsi „vrátný”, který říká událostem „vás bereme” a „vás ne”. Původní trigger byl, jako u jiných experimentů, složen z hardwarové a softwarové části a byl tak výrazně méně vstřícný k hadronickým rozpadům – ty často zahazoval už v rané fázi výběru událostí a v datech by tak signál našel jen kouzelník.

Z laboratoře zpět k teorii

Doubly-charmed baryony jsou výjimečné tím, že v jednom hadronu spojují dva poměrně těžké kvarky a jeden lehký kvark. Dva charm kvarky lze do jisté míry chápat jako kompaktní těžký pár – takzvaný dikvark – a lehký kvark se pohybuje v barevném poli, které tento pár vytváří. Vzniká tak baryonový systém, který se v některých ohledech podobá těžko-lehkému vázanému stavu. Přesné změření a porovnání hmotností dvojice nám napoví, jak silná interakce baryon drží pohromadě. Doby života a způsoby rozpadu zase testují, zda teoretické popisy v takovém prostředí skutečně fungují. Právě proto je kompletní pár mnohem cennější než jediný izolovaný objev.

Nový výsledek tedy uzavírá dvojici, ale příběh tím rozhodně nekončí. Stále zůstává mnoho otázek – třeba jaká je přesná doba života Ξ⁺_cc. K získání odpovědi budou potřeba větší datové soubory. Ty se budou samozřejmě hodit i pro přesnější určení hmotnosti a studium dalších rozpadových kanálů (tedy způsobů, jak a na co se Ξ⁺_cc rozpadá). Pole výzkumu se tak posune od samotného „viděli jsme ji” k přesné spektroskopii. Ve výhledu je také hledání dalších příbuzných stavů, například Ω⁺_cc – baryonu, v němž by lehký kvark nebyl down ani up, ale strange.

Bude tedy po objevu Ξ⁺_cc chleba levnější? Ne. Tedy, ne díky tomuto objevu. Ale u základního výzkumu se člověk nemůže ptát, co a kdy z toho bude a kolik z toho kápne. Kdybychom takto uvažovali, neměli bychom dnes GPS, Wi-Fi, televizi... a lékařství by bylo na úrovni středověku. Takže – zůstaňte naladěni. 

Autor: Tomáš Jakoubek

Foto: CERN

Zdroj: Fyzikální ústav Akademie věd ČR