na tropie egzotycznych hadronópostĘpy fizyki tom 56 zeszyt 1 rok 2005 21 a.r. dzierba, c.a. meyer,...

Na tropie egzotycznych hadronów∗

Alex R. Dzierbaa, Curtis A. Meyerb, Eric S. Swansonc

a Department of Physics, Indiana University, Bloomington, Indiana, USAb Department of Physics, Carnegie Mellon University, Pittsburgh, Pennsylvania, USAc Department of Physics and Astronomy, University of Pittsburgh, Pennsylvania, USA

The search for QCD exotics

Abstract: Particles predicted by the theory of quantum chromodynamics help explain why the fundamentalbuilding blocks of matter are impossible to isolate.

Wstęp

Przez ostatnie ćwierćwiecze fizycy podejrzewali,że musi istnieć subatomowa cząstka niepodobna dożadnej innej – zbudowana wyłącznie z gluonów, któresą „klejem” spajającym materię na najbardziej fun-damentalnym poziomie. Działają one w obrębie jądrakażdego atomu, wiążąc naładowane składniki, którew przeciwnym wypadku by się odepchnęły. Ale czy tomożliwe, żeby ów klej odpowiedzialny za siły sam ist-niał również jako forma materii? Ostatnio poszukiwa-nia nieuchwytnej cząstki zbudowanej wyłącznie z glu-onów, zwanej kulą gluonową (ang. glueball), nabrałyrozpędu, bo coraz więcej jest oznak jej istnienia. Ba-dacze znaleźli również ślady innych podobnie egzotycz-nych cząstek. Po ponad stu latach od odkrycia pierw-szej cząstki subatomowej – elektronu – fizycy stojąu progu poznania całkiem nowego rodzaju materii.

Rozwój badań struktury materii

Aby w pełni zrozumieć, dlaczego fizycy, tacy jakmy, są zapalonymi poszukiwaczami kul gluonowychi innych podobnych cząstek egzotycznych, potrzebnabędzie odrobina wysiłku. Chyba najlepiej zacząć odkrótkiej dygresji przedstawiającej historię naszej dzie-dziny.

Od odkrycia elektronu w 1897 r. do odkrycia pro-tonu minęło 14 lat, a do znalezienia neutronu – na-stępnych 21 lat. W roku 1932 wydawało się, że elek-tron, proton i neutron wystarczą do wyjaśnienia ca-łej fizyki cząstek elementarnych i pojawiło się komfor-towe poczucie, że świat subatomowy został całkowiciepoznany. Niestety, to samozadowolenie miało wkrótceustąpić miejsca irytacji i zamieszaniu.

W gruncie rzeczy problemy zaczęły się jednak jużw 1910 r., gdy Theodor Wulf, jezuita i fizyk, wszedłna wieżę Eiffla z elektrometrem na plecach. Urządze-nie to, które ojciec Wulf sam zaprojektował i zbudo-wał, wykrywało cząstki naładowane. Wiedząc, że ta-kie cząstki są wysyłane przez radioaktywne minerały,badacz oczekiwał, że wskazania jego elektrometru sięzmniejszą, gdy przyrząd znajdzie się wysoko nad zie-mią. Po wspięciu się na wieżę zaobserwował jednakze zdziwieniem wzrost wskazań. Wyjaśnienie: cząstkisubatomowe spadają na Ziemię z kosmosu.

Chociaż źródło tych cząstek do dziś pozostaje dopewnego stopnia tajemnicą, w latach 20. i 30. ubie-głego wieku ich istnienie stało się dla fizyków oczy-wiste. A gdy skończyła się II wojna światowa, młodziludzie zaczęli się wspinać na szczyty Pirenejów i Alp,aby dokładniej zbadać owe „promienie kosmiczne”.Używane wtedy detektory składały się z wielkich sto-sów płyt fotograficznych, które dosłownie fotografo-wały miniaturowe ślady pozostawione przez pędzącecząstki. Te wysiłki, wraz z analizą cząstek wytworzo-nych niedługo później w wielkich, rozbijających atomyakceleratorach, ujawniły ciągle wydłużającą się listęcząstek powstających tylko w ekstremalnych warun-kach, m.in. kaonów, pionów i hiperonów Λ.

Dziś znamy ponad 200 takich cząstek. Fizycypoczątkowo podzielili je według mas na dwie klasy:m e z o n y (od greckiego meso, „średni”) ważące więcejniż elektron, ale mniej niż proton, oraz b a r i o n y (odgreckiego bario, „ciężki”) ważące tyle co proton lubwięcej. Współczesny podział jest oparty nie na masie,ale na s p i n i e cząstek: mezony mają spin całkowity,a bariony połówkowy, gdy wyrażamy go w jednostkachstałej Plancka podzielonej przez 2π. (Najbliższym ana-

∗Artykuł, opublikowany w American Scientist 88, 406 (2000) (American Scientist Online: www.americanscientist.org), został przetłumaczony za zgodą Autorów i Wydawcy. [Translated with permission. c© 2000 Sigma Xi, The ScientificResearch Society]

20 POSTĘPY FIZYKI TOM 56 ZESZYT 1 ROK 2005

A.R. Dzierba, C.A. Meyer, E.S. Swanson – Na tropie egzotycznych hadronów

logiem spinu, wielkości czysto kwantowej, jest momentpędu wirującego bąka).

Mezony i bariony nazywamy łącznie „hadronami”(od grec. adron, „silny”), ponieważ wszystkie te cząstkipodlegają o d d z i a ł y w a n i o m s i l n y m, które ra-zem z oddziaływaniami elektromagnetycznymi, sła-bymi i grawitacyjnymi stanowią cztery fundamen-talne siły przyrody. Pierwsze wskazówki istnienia od-działywań silnych pojawiły się w latach 30., kiedystało się oczywiste, że jądra atomów zawierają zwartegrupy protonów i neutronów. Trudno było to zrozu-mieć – wzajemne odpychanie elektrostatyczne dodat-nio naładowanych protonów powinno spowodować, żeskładniki jądra atomu rozlecą się w różnych kierun-kach. Fizycy rychło zrozumieli, że potrzebny jest innyrodzaj fundamentalnych oddziaływań, takich, któremogą działać tylko na małych odległościach, skoro ni-gdy nie zostały zaobserwowane poza jądrami.

Zatem już od dawna było jasne, że oddziaływa-nia silne istnieją i że odczuwają je wszystkie hadrony.Ale w jaki sposób nowe hadrony wpisują się w dopieroco uporządkowany świat subatomowy (rys. 1)? Ta za-gadka pozostawała nierozwiązana aż do roku 1961,kiedy Murray Gell-Mann (podówczas profesor Cali-fornia Institute of Technology) i Yuval Ne’eman (at-

tache wojskowy Izraela w Londynie, studiujący jedno-cześnie fizykę w Imperial College) niezależnie zapro-ponowali jej rozwiązanie. Obaj zdali sobie sprawę, żeznany świat cząstek subatomowych może być pogru-powany według pewnej matematycznej symetrii, którąGell-Mann nazwał d r o g ą o ś m i o k r o t n ą przezanalogię do buddyjskich „ośmiu dróg do oświecenia”.

Argumenty za trafnością tego pomysłu pojawiłysię zaskakująco szybko. Już w kilka miesięcy po wy-myśleniu nowej teorii Gell-Mann uczestniczył w konfe-rencji w CERN-ie, europejskim laboratorium cząstekw Genewie, i był wśród słuchaczy, gdy grupa z Uniwer-sytetu Kalifornijskiego w Los Angeles ogłosiła o odkry-ciu dwóch nowych barionów, Ξ∗− oraz Ξ∗0. Gell-Mannzauważył, że ta para prawie dopełniła grupę dziesię-ciu spokrewnionych cząstek (rys. 2). Nie tylko od razuprzewidział, że powinna istnieć jeszcze jedna cząstkatego typu, ale potrafił z grubsza odgadnąć jej wła-sności. Owa śmiała hipoteza, którą Gell-Mann wysu-nął publicznie przed wszystkimi zgromadzonymi, stałasię sygnałem rozpoczęcia wyścigu do odkrycia nowejcząstki, nazwanej Ω−. Została ona zaobserwowana jużw lutym 1964 r. przez grupę z Brookhaven NationalLaboratory w Nowym Jorku, a po kilku tygodniachz CERN-u nadeszło potwierdzenie tej obserwacji.

1930 1935 1940 1945 1950 1955 1960 1965| | | | | | | |

leptony

e+ (0,511) µ+ (105,6) νe (≈ 0) νµ (≈ 0)µ− (105,6) νe (≈ 0) νµ (≈ 0)

mezony

π0 (135) η (547)π+ (140) ρ (770)π− (140) ω (782)K+ (494) K∗ (892)K− (494) η′ (958)K0 (498) f (980)

φ (1019)a2 (1318)

bariony

n (939,6) Λ0 (1115) p (938,3) Σ∗0 (1385)Σ+ (1189) n (939,6) Σ∗−(1385)Σ− (1197) Λ0 (1115) Σ∗+(1385)∆ (1230) Σ0 (1192) Ξ∗0 (1530)Ξ− (1321) Ξ0 (1315) Ξ∗− (1530)

Ω− (1672)

Rys. 1. Wśród wielu subatomowych cząstek odkrytych w latach 1930–65 szczególnie zdumiała fizyków wielkaróżnorodność hadronów. Dopiero w 1961 r. teoretycy zauważyli pewien porządek w wydłużających się ta-blicach cząstek i – podobnie jak zbudowanie układu okresowego sto lat wcześniej – uporządkowanie todostarczyło wielu informacji na temat ich wewnętrznej struktury (masy spoczynkowe podano w nawiasachw jednostkach energii – megaelektronowoltach – zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina, stwierdzającym

równoważność tych wielkości: E = mc2).

POSTĘPY FIZYKI TOM 56 ZESZYT 1 ROK 2005 21


Rys. 2. Znano już siedem cząstek mających ten samspin (3/2) – dwa górne rzędy – kiedy w 1962 r. zo-stały odkryte hiperony Ξ∗− oraz Ξ∗0 (trzeci rząd). Teo-retyk Murray Gell-Mann natychmiast zauważył, że ta-kie uporządkowanie hadronów wymaga istnienia dziesią-tego członka tej rodziny. Przewidział własności brakują-cej cząstki (u dołu), opierając się na diagramie podob-nym do powyższego, a po 2 latach właśnie taka cząstka,

nazwana Ω−, została rzeczywiście znaleziona.

W tym samym roku Gell-Mann i George Zweig(który wtedy pracował w CERN-ie) niezależnie wysu-nęli przypuszczenie, że symetria znanych wówczas ha-dronów bierze się stąd, że są one zbudowane z trzechfundamentalnych składników. Gell-Mann ochrzcił je„kwarkami” – żartobliwym słowem użytym przez Ja-mesa Joyce’a w Finnegan’s Wake („Three quarks forMuster Mark!”).

Przypuszczenie to było ryzykowne, ponieważ hi-potetyczne kwarki miały inne własności niż wszyst-kie znane wcześniej cząstki. Uznano, że kwarki ist-nieją w trzech odmianach, nazwanych „zapachami”:górnym (u), dolnym (d) i dziwnym (s). Tak jak innecząstki, kwarki miały masę i spin, ale w przeciwień-stwie do wszystkich innych miały ułamkowy ładu-nek elektryczny – kwark górny +2/3, kwarki dolnyi dziwny −1/3 (w jednostkach ładunku elementar-nego e). Istotą pomysłu Zweiga i Gell-Manna byłoto, że hadrony są stanami związanymi trzech kwar-ków, podobnie jak atom wodoru można uważać zastan związany protonu i elektronu. Na przykład, pro-ton miał się składać z dwóch kwarków u oraz jed-nego d (rys. 3), co dałoby całkowity ładunek elek-tryczny 2/3 + 2/3− 1/3 = 1. Podobnie, neutron skła-dałby się z dwóch kwarków d oraz jednego u, co da-łoby ładunek −1/3 − 1/3 + 2/3 = 0. Ułamkowy ła-dunek był szalonym pomysłem, ale chyba najbardziejniepokojącym aspektem tej teorii było to, że nigdy niezaobserwowano samych kwarków – fakt, którego aniGell-Mann, ani Zweig nie wyjaśnili.

Mimo to model kwarkowy uzyskiwał coraz szersząakceptację. Potężny impuls przyszedł cztery lata póź-niej, gdy badacze w Stanford Linear Accelerator Cen-

ter (SLAC) wykazali w sposób niebudzący wątpliwości,że protony mają strukturę wewnętrzną. Wyniki te po-chodzą z eksperymentu będącego właściwie współcze-sną wersją doświadczenia Ernesta Rutherforda i Erne-sta Marsdena z 1909 r. Bombardowali oni cząstkami αcienką warstwę miki i zaobserwowali, że choć zdecy-dowana większość cząstek przelatujących przez tarczętylko nieznacznie zmieniała kierunek, to jednak nie-kiedy cząstki α odbijały się pod dużym kątem. Zasko-czony Rutherford skomentował to słowami: „To tak,jakby 15-calowy pocisk, wystrzelony w stronę arkusikabibułki, odbił się od niego i uderzył w strzelającego”.Wkrótce zrozumiał, że tak dziwne zachowanie ozna-cza, że atomy mają małe, ale ciężkie rdzenie – w tensposób odkrył jądra atomowe.

Rys. 3. Model kwarkowy, zaproponowany w roku 1964,przedstawiał proton złożony z dwóch kwarków „gór-nych” (u), każdy o ładunku (+2/3)e, i jednego „dol-nego” (d) o ładunku (−1/3)e, co daje prawidłowy ładu-nek protonu +e. Na początku myślano o kwarkach tylkojako o użytecznym modelu matematycznym, przydat-nym do księgowania cząstek, ale niewnoszącym fizycznej

treści.

W stanfordzkim eksperymencie z 1968 r. fizycyrozpraszali elektrony na protonach i zaobserwowali, żemała, ale znacząca ich część zupełnie zmieniała kieru-nek ruchu. Dowodziło to, że protony – a przez analo-gię także inne hadrony – mają wewnętrzną strukturę.Dalsze badania wykazały, że składniki protonu mająułamkowe ładunki.

Te odkrycia stanowią ważną granicę. Wcześniejwielu fizyków (w tym Gell-Mann) uważało, że kwarkisą tylko modelem matematycznym, pozwalającymuporządkować świat hadronów. Od tego momentuwszystko zaczęło jednak wskazywać, że kwarki byćmoże rzeczywiście istnieją. W końcu, w roku 1974,wiadomość o odkryciu nowej cząstki przekonała nawetnajbardziej opornych. Ta nowa cząstka, mezon, byłazbudowana z czwartego zapachu kwarkowego, nazwa-nego powabnym (c). Potem dodano do menu jeszczedwa inne zapachy: piękno (b) w 1976 r. i prawdę (t)w roku 1995. Każdy z tych sześciu kwarków ma od-powiadającego mu „antykwarka”, co zwiększa liczbęrodzajów tych cząstek do dwunastu (rys. 4).

Chociaż hipoteza kwarków odniosła błyskotliwysukces, pozostało kilka niepokojących wątpliwości.



Po pierwsze, nigdy nie zaobserwowano odosobnionegokwarka. Bardziej dokuczliwym problemem było to, żewyznaczone własności barionu nazwanego ∆++ wy-dawały się sprzeczne z jednym z ogólnych twierdzeńkwantowej teorii pola, które mówi, że kwantowe funk-cje falowe opisujące hadrony muszą być antysyme-tryczne, jeżeli cząstki składowe są identyczne. Wia-domo było, że cząstka ∆++ składa się z trzech iden-tycznych kwarków u, ale obserwowane własności wska-zywały na symetryczną funkcję falową.

Rys. 4. Zbiór fundamentalnych klocków, z których zbu-dowana jest materia, ostatecznie został rozszerzony do6 rodzajów kwarków (i niepokazanych powyżej odpo-wiadających im 6 antykwarków) oraz 6 lżejszych cząstek(i 6 ich antycząstek) nazwanych leptonami. Te ostatnie

nie oddziałują silnie.

Teoretycy chwytali się najdziwniejszych sposobówrozwiązania tej łamigłówki. Oskar Greenberg z Uni-wersytetu Marylandzkiego przedstawił jedno z bardziejpomysłowych rozwiązań: zaproponował, żeby przypi-sać kwarkom nowy rodzaj ładunku, który pozwalana utworzenie antysymetrycznej funkcji falowej. Ma-tematyczna sztuczka Greenberga w gruncie rzeczy ob-chodziła problem przez stwierdzenie, że pełna funk-cja falowa barionu ∆++ jest jednak antysymetryczna,tylko dotychczas nie brano pod uwagę pewnej jej czę-ści. Gell-Mann nazwał nową cechę cząstek k o l o r e m,choć nie ma ona nic wspólnego z normalnym znacze-niem tego słowa. Przewidywano, że taki „ładunek ko-lorowy” ma trzy odmiany, często nazywane czerwoną,zieloną i niebieską.

Ale w doświadczeniach nigdy nie zaobserwowanokoloru. Wyglądało więc na to, że jeden problem (syme-tria cząstki ∆++) został po prostu zastąpiony innym(brakiem obserwacji koloru). Niemniej pomysł Green-berga przyniósł pewną korzyść: niemożność zaobserwo-wania pojedynczych kwarków i niemożność zaobserwo-wania koloru zostały połączone w „hipotezę uwięzieniakoloru”, która głosi, że kolor istnieje jedynie ukrytywewnątrz hadronów i nigdy nie może się pojawić, żebyoddziaływać z jakimkolwiek detektorem. Przeciwnie –

kolory muszą zawsze występować w grupach, tak bytworzyć obiekty niekolorowe. Protony, neutrony i innebariony są kombinacjami trzech kwarków o różnych ko-lorach (czerwonym, zielonym i niebieskim), które two-rzą niekolorową kombinację, podobnie jak kombinacjabarw trzech luminoforów na ekranie telewizora możedawać plamkę bezbarwną (rys. 5). Piony, kaony i innemezony są utworzone z kwarka o określonym kolorzei „antykolorowego” względem niego antykwarka.

Rys. 5. Kwarkom zaczęto przypisywać „ładunek kolo-rowy” na początku lat 70., mimo że kolor nigdy nie zostałzaobserwowany – kwarki zawsze zbierają się w grupy,tworząc obiekty niekolorowe, jak kwarki 3 różnych kolo-rów w protonie: dwa różnokolorowe kwarki u oraz jedenkwark d (u góry). W przypadku mezonów składającychsię z pary kwark–antykwark kolor i antykolor muszą two-rzyć odpowiedną parę, np. kwarki u oraz d w pionie mu-

szą mieć przeciwne kolory (u dołu).

Chromodynamika kwantowaUwięzienie koloru okazało się ważną ideą, ponie-

waż w ostatecznym rozrachunku pokazało, w jaki spo-sób kwarki łączą się w hadrony. Mechanizm ten jest po-dobny do kulombowskiego przyciągania protonu i elek-tronu, które opisujemy jako wymianę fotonów (cząstek,które nie mają masy ani ładunku, ale mają energięi spin). Z tego powodu fotony są nazywane nośnikamioddziaływań elektromagnetycznych. Co więcej, teore-tycy od dziesiątków lat wiedzą, że samo istnienie elek-tronów i protonów (a dokładniej ich ładunków) wy-starcza do stwierdzenia istnienia fotonów i określeniaich własności. Ta magiczna sztuka jest wynikiem ma-tematycznej procedury zwanej c e c h o w a n i e m.

Teoria cechowania pochodzi z prac HermannaWeyla z 1918 r. Starał się on połączyć grawitację i elek-tromagnetyzm w jedną teorię przez żądanie, aby wy-niki fizyczne nie zależały od lokalnego skalowania (czylicechowania) czasoprzestrzeni. Choć jego teoria oka-zała się błędna, idea warunku lokalnej niezmienniczości



przetrwała. Pierwszy sukces cechowanie odniosło w la-tach 40., kiedy zostało zastosowane do kwantowej teo-rii elektromagnetyzmu, zwanej elektrodynamiką kwan-tową (QED). Idea ta została rozszerzona w latach 60.na zunifikowane oddziaływania elektromagnetycznei słabe i stanowi podstawę współczesnego rozumieniazarówno oddziaływań elektrosłabych, jak i silnych orazcząstek im podlegających – podstawę pełnej teorii bu-dowy materii, zwanej Modelem Standardowym.

Cząstki przenoszące oddziaływania, analogicznedo fotonów, musiały zapewne istnieć również dlakwarków – w końcu coś musiało przenosić oddzia-ływania silne. Ale co to miałyby być za cząstki?Gell-Mann i Harold Fritzsch z Uniwersytetu Mona-chijskiego pierwsi znaleźli odpowiedź na to pytaniew 1972 r. po przeprowadzeniu procedury cechowaniadla oddziaływań silnych. Nazwali otrzymaną teorięc h r o m o d y n a m i k ą k w a n t o w ą (QCD), podkre-ślając w ten sposób jej podobieństwo do elektrodyna-miki kwantowej i wagę idei koloru. Ich praca wyka-zała, że musi istnieć 8 typów cząstek, teraz nazywa-nych g l u o n a m i, będących nośnikami oddziaływańwiążących kwarki. Gluony są podobne do fotonów podtym względem, że nie mają masy, a mają spin. Różni jejednak kluczowa cecha: gluony mają ładunek kolorowy,podczas gdy fotony nie mają ładunku elektrycznego.Wskutek tego gluony – w przeciwieństwie do fotonów– mogą bezpośrednio oddziaływać ze sobą.

QCD można więc traktować jak przepis na cia-steczka. Kwarki i gluony stanowią składniki, kwantowateoria pola podaje sposób przyrządzenia, a powstającesmakołyki to hadrony. Co ciekawe, QCD wskazuje, żestruktura próżni, w której znajdują się cząstki, równieżma duże znaczenie. Jeżeli wyobrażamy sobie próżnięjako całkowitą pustkę, to ostatnie stwierdzenie musibudzić zdziwienie. Ale na poziomie kwantowym próż-nia nie jest naprawdę pusta. W rzeczywistości jest pie-kielną zupą, godną szekspirowskich czarownic Hekate,zupą, w której wirtualne cząstki pojawiają się i zni-kają tak szybko, że zasady zachowania nie są pogwał-cone. Cała ta wirtualna aktywność ma dramatycznywpływ na siłę oddziaływania między kwarkami. Przy-pomnijmy, że oddziaływanie to powstaje na skutek wy-miany gluonów i że muszą się one przedzierać przezpróżnię. Wyobraźmy sobie, że gluonom najłatwiej jestpodążać przetartym szlakiem. Skutkiem byłoby zloka-lizowanie gluonów na wąskiej ścieżce między kwarkami.

Teoretycy zajmujący się na co dzień QCD woląinną analogię, opartą na idei elektrycznych i magne-tycznych linii pola, rozbiegających się i tworzącychwzór znany wszystkim uczniom, którzy rozsypywaliopiłki żelaza nad magnesem (rys. 6). W przypadkuQCD struktura próżni powoduje przyciąganie się li-nii tzw. pola chromomagnetycznego w taki sposób, żetworzą one cienką wiązkę.

W przypadku pola elektrycznego rozbieganie sięlinii pola prowadzi do znanej siły kulombowskiej, któ-rej wartość jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu

odległości między ładunkami. Dla kwarków łączeniesię linii pola chromomagnetycznego w cienką wiązkędaje zupełnie inny efekt – siła zachowuje stałą, nieza-leżną od odległości wartość (zwaną napięciem struny),tak jakby wiązka linii była sprężystą taśmą, ściąga-jącą kwarki zawsze tą samą siłą, niezależnie od tego,jak bardzo jest rozciągnięta (rys. 6).

Rys. 6. Linie pola elektrycznego między dwiema prze-ciwnie naładowanymi cząstkami szeroko się rozbiegają,co prowadzi do własności charakterystycznej dla elek-trostatycznej siły Coulomba i dla siły grawitacyjnej: ichwielkość maleje jak kwadrat odległości między cząstkami(u góry). Inaczej jest w przypadku linii pola chromoma-gnetycznego między dwoma kwarkami – linie te tworzązwartą wiązkę, co prowadzi do stałej (niezależnej od od-

ległości) siły (u dołu).

Napięcie struny między kwarkiem a antykwarkiemodpowiada bardzo dużej sile wiążącej, równoważnejciężarowi ciała o masie 16 ton. Mimo to można by po-myśleć, że taką siłę da się pokonać i rozdzielić obiecząstki. Okazuje się jednak, że nawet nieznaczne ichodciągnięcie (na odległość rzędu promienia protonu)wpompowuje w układ energię wystarczającą do roze-rwania wiązki linii pola między kwarkami i utworzeniadwóch nowych cząstek – kwarka i antykwarka, któresą przyłączone do nowo utworzonych wolnych końcówwiązek linii pola (rys. 7). W wyniku takiego procesuw miejsce jednej niekolorowej cząstki początkowej po-wstają dwie cząstki niekolorowe. W tym sensie kolornigdy nie wydostaje się na wolność.

Zatem to szczególny charakter próżni w QCD po-woduje uwięzienie koloru. Skomplikowana strukturapróżni pozwala również wyjaśnić zaskakujące warto-ści mas hadronów. Fizycy są przekonani, że kwarkisą o wiele za lekkie, aby ich masy mogły dać w su-mie masy utworzonych z nich cząstek. Wydaje sięwięc, że prosty opis hadronów jako połączenia dwóchlub trzech kwarków jest zbyt naiwny. Jednakże kwan-towa teoria pola dopuszcza fluktuacje liczby i rodza-jów cząstek, z których składa się hadron. Takie fluk-



Rys. 7. Próby rozdzielenia dwóch kwarków tworzącychtypowy mezon nieuchronnie kończą się niepowodzeniem,ponieważ energia dostarczona w celu rozdzielenia tejpary zostaje zamieniona w nowy kwark i nowy anty-kwark; powstałe cząstki przyłączają się do swobodnych

końców rozerwanej wiązki linii pola.

tuacje mają postać dodatkowych gluonów lub wirtu-alnych par kwark–antykwark, które, jak wierzą teo-retycy, dają nadwyżkę (ok. 98%) masy potrzebną dozbudowania typowego hadronu (rys. 8).

Rys. 8. Jak dziś uważamy, proton zawiera dużo więcejskładników niż tylko trzy kwarki walencyjne, składającesię na jego ładunek elektryczny +e. Kwarki te wnosząjedynie ok. 2% masy protonu. Reszta pochodzi z „mo-rza” wirtualnych kwarków i kul gluonowych. Nawet nazewnątrz protonu wirtualne cząstki – kule gluonowe, me-zony i pary barion–antybarion – pojawiają się i znikają,tworząc zatłoczoną próżnię opisywaną przez chromody-

namikę kwantową.

Gluony zatem pomagają uzasadnić wartości mashadronów. Ale czy są one zawsze we wnętrzu tych czą-stek, czy mogą też uciec i podróżować przez przestrzeń,jak fotony, ich kuzyni-lekkoduchy? Fotony z całą pew-

nością mogą dolecieć daleko – wykorzystuje to każdy,kto czyta tę stronę – natomiast gluony mają kolor,a uwięzienie koloru oznacza, że nigdy nie może on zo-stać zaobserwowany.

Fritzsch i Peter Minkowski z Uniwersytetu Ber-neńskiego doszli w 1975 r. do wniosku, że kilka gluonówmogłoby się połączyć w neutralne kolorowo hadronyzłożone tylko z materii gluonowej. Takie obiekty –k u l e g l u o n o w e – byłyby zupełnie nowym i nieocze-kiwanym rodzajem materii. Elektromagnetycznym ichodpowiednikiem byłoby zbicie się fotonów w „atom”zbudowany z samego światła. Ted Barnes, doktorantw Caltechu, rozwinął ten pomysł w 1977 r., gdy zauwa-żył, że gluony mogłyby również wiązać się z kwarkamii antykwarkami, tworząc mezony hybrydowe. Te hy-brydy i kule gluonowe noszą wspólną nazwę c z ą s t e ke g z o t y c z n y c h (ang. QCD exotics).

Na tropie nowych cząstek

Czego potrzeba, żeby odkryć cząstkę egzotyczną?Przede wszystkim, teoretycy muszą mieć jakieś wy-obrażenie o jej własnościach – masie, czasie życia, ka-nałach rozpadu (czyli sposobach, w jakie może onazniknąć, wytwarzając na swoje miejsce lżejsze, długożyjące cząstki). Poza tym badacze muszą znać wartościtrzech ważnych liczb kwantowych, które opisują poszu-kiwaną cząstkę. Pierwsza z nich (J) oznacza całkowityspin, druga (P ) odnosi się do parzystości, a trzecia (C)– do sprzężenia ładunkowego.

Liczba kwantowa J jest częściowo zdetermino-wana przez ustawienie spinów kwarków, z którychskłada się szukana cząstka. W przypadku mezonówdwukwarkowych suma spinów obu składników możeprzyjąć tylko dwie wartości: 1, gdy spiny są równole-głe, lub 0, gdy są antyrównoległe. Całkowity spin za-leży jednak również od względnego momentu pędu ob-racających się wokół siebie składników, zatem J możeprzyjmować wartości całkowite większe od 1.

Parzystość i sprzężenie ładunkowe są subtelniej-szymi cechami. Opisują one symetrię pary kwark––antykwark w przypadku lustrzanego odbicia prze-strzennego (parzystość) lub zamiany miejscami cząstkii antycząstki (sprzężenie ładunkowe). Jeżeli kwan-towa funkcja falowa nie zmienia się w czasie takiejoperacji, to cząstkę nazywamy symetryczną i przypi-sujemy jej odpowiednią „liczbę kwantową” o znakuplus; w przeciwnym przypadku cząstka jest antysyme-tryczna i przypisany jest jej minus.

Podstawowe zasady mechaniki kwantowej mówią,że mezony mogą mieć tylko szczególne kombinacje war-tości J , P oraz C, które stanowią identyfikator cząstki,zazwyczaj zapisywany w postaci JPC . Ale chromo-dynamika kwantowa przewiduje, że sytuacja jest bar-dziej skomplikowana. Przypomnijmy, że mezon wy-obrażamy sobie jako dwa kwarki utrzymywane razemprzez wiązkę linii pola, która działa jak sprężysta ta-śma. Gdyby ktoś mógł przytrzymać te dwa kwarki



i szarpnąć taśmę między nimi, zaczęłaby ona drgaćjak struna gitary. I podobnie jak w przypadku szarp-nięcia takiej struny, pole między kwarkami może zostaćwzbudzone na wiele różnych sposobów – każdy odpo-wiadałby innemu rodzajowi mezonu hybrydowego.

Jeżeli na przykład spiny kwarków są równole-głe, a ruch wiązki pola odpowiada pierwszemu sta-nowi wzbudzonemu (odpowiednik podstawowej czę-stości drgań gitary), to JPC może np. wynosić 0+−

lub 1−+; są to wartości niemożliwe dla stanu złożo-nego z tylko dwóch kwarków. Takie kombinacje jed-noznacznie odpowiadają zatem nowym rodzajom czą-stek – mezonom hybrydowym. Podczas gdy własnościnormalnego mezonu można wyjaśnić przez spiny orazmomenty pędu kwarka i antykwarka, w przypadku me-zonu hybrydowego są one również związane ze wzbu-dzoną wiązką pola. Co więcej, wzbudzone wiązki sąwystarczająco mocne, aby utworzyć mezon bez żad-nych kwarków. Takie samotne wiązki pola, zwiniętew zamknięte pierścienie, są kulami gluonowymi, zbu-dowanymi wyłącznie z tego, co zazwyczaj odpowiadajedynie za spoistość materii.

Czy takie ciekawe cząstki mogą istnieć? Tak, aleniezbyt długo. Olbrzymia większość mezonów pro-dukowanych w zderzeniach cząstek rozpada się pra-wie natychmiast po utworzeniu, wytrzymując jedynieok. 10−23 sekundy. Nawet jeśli poruszają się z prędko-ścią bliską prędkości światła, to odległość, jaką przeby-wają od narodzin do śmierci jest nie większa niż śred-nica protonu. Zatem fizycy cząstek muszą się domy-ślać ich ulotnego istnienia na podstawie pozostawio-nych przez nie szczątków. W większości przypadkówwyraźnymi znakami są inne mezony o dużo mniejszychmasach i dłuższych czasach życia – wystarczających,aby zostawić rozróżnialne ślady.

Przez wiele lat fizycy badali tory takich cząstek,używając komór pęcherzykowych – zbiorników z cie-kłym wodorem utrzymywanym pod wysokim ciśnie-niem. W chwili wejścia cząstki do komory tłok jest od-ciągany, co gwałtownie obniża ciśnienie. Taki manewrobniża temperaturę wrzenia, ale wodór nie zamieniasię natychmiast w parę. Przez chwilę pozostaje nie-stabilną, „przegrzaną” cieczą. Ponieważ przelatującacząstka naładowana oddaje energię, przegrzany wodórzaczyna wrzeć wzdłuż jej toru, zaznaczając go tym sa-mym niewielkimi bąbelkami. Jeżeli komora znajdujesię w polu magnetycznym, to naładowana cząstka jestodciągana w bok, a widoczne na fotografii zakrzywie-nie toru jest miarą jej pędu (rys. 9). Prześledzenie kie-runków ruchu wszystkich produktów rozpadu – zazwy-czaj mezonów o znanych masach – pozwala odtworzyćwłasności (masę i JPC) efemerycznej cząstki, z którejte produkty powstały.

Zaletą komór pęcherzykowych jest to, że dostar-czają one dosyć pełnego i niezniekształconego obrazueksperymentu. Niestety, przeglądanie zdjęć tysięcy pę-cherzykowych śladów wymaga mrówczej pracy i w tensposób można odkryć tylko najczęściej spotykane me-

zony. Dlatego od ponad 30 lat modne są elektronicznekomory drutowe, zbudowane ze zbiornika gazu poprze-cinanego krzyżującymi się drutami pod dużym na-pięciem. Przejście naładowanej cząstki jonizuje gazwzdłuż jej toru, łącząc elektrycznie niektóre druty.Miejsca, gdzie obwody zostały chwilowo zwarte, po-kazują tor cząstki. Inny rodzaj elektronicznego detek-tora, zwany kalorymetrem, mierzy jej energię. Obaurządzenia umieszczone razem w polu magnetycznymnazywa się spektrometrem. Współczesne spektrometrymogą wykonywać miliony pomiarów przechodzącychprzez nie cząstek i dlatego są tak cenne przy poszuki-waniu nowych mezonów. Niestety, ich czułość – w prze-ciwieństwie do czułości komór pęcherzykowych – niejest taka sama dla wszystkich kierunków ruchu cząstek.

Rys. 9. Zakrzywiające się linie na tym zdjęciu z ko-mory pęcherzykowej pokazują tory – a przez to rodzaje– różnych subatomowych cząstek powstających w ak-celeratorze. Dokładne zbadanie tych śladów (tutaj robito Renee Jones z Fermilabu w ramach doświadczeniaz 1984 r.) pokazuje własności niezostawiających śladówobiektów, które – rozpadając się – są źródłami takichstrumieni cząstek. Jak większość współczesnych bada-czy, autorzy niniejszego artykułu zamiast komór pęche-rzykowych wykorzystują detektory elektroniczne, unika-jąc dzięki temu tego pracochłonnego etapu polowania naszczególne przypadki cząstek egzotycznych, czyli takich,które są utworzone (w całości lub części) z obiektów za-zwyczaj odpowiedzialnych tylko za oddziaływanie wią-żące materię (fot. David Parker, Science Source/Photo

Researchers, Inc.).



Żeby uwzględnić ten fakt, fizycy używają me-tody Monte Carlo, która polega na tym, że kompu-ter symuluje wielką liczbę przypadkowych zderzeń czą-stek, od których żądamy jedynie zachowania energiii pędu. Program oblicza wtedy reakcję detektora nataką sztuczną inwazję. Z powodów konstrukcyjnych wewspółczesnych detektorach nie wszystkie tory cząstekmożna zarejestrować jednocześnie. Wiedząc jednak, conie zostało wykryte w czasie symulowanego zdarzenia,można poprawić wyniki otrzymywane w prawdziwymdoświadczeniu. Gdy szuka się mezonów egzotycznych,ten krok musi być wykonany starannie, ponieważ przy-pisanie JPC opiera się na znajomości kierunków ruchuwszystkich produktów rozpadu. Gdyby korekta znie-kształceń pomiaru została wykonana niewłaściwie, sy-gnał egzotycznego JPC mógłby się pojawić tam, gdzieegzotycznej cząstki wcale nie było.

Poszukiwania na całym świecie

Pierwszy poważny program poszukiwania kulgluonowych zainicjował Claude Amsler z CERN-u.W roku 1985 przekonał on grupę swoich kolegów do bu-dowy detektora nazwanego „Crystal Barrel” (Krysz-tałowa Beczka) – cylindra wypełnionego krystalicz-nymi kalorymetrami – i dołączenia go do obsługiwa-nego przez nich pierścienia z niskoenergetycznymi an-typrotonami (rys. 10). Eksperyment polegał na dopro-wadzaniu do zderzeń antyprotonów z protonami i szu-kaniu kul gluonowych, które, jak przewidywali niektó-rzy teoretycy, mogłyby w takim procesie powstawać.

Detektor został uruchomiony w grudniu 1989 r.W pierwszej serii pomiarów odkryto cząstkę, którarozpadała się na dwa neutralne piony – podobnejcząstki nie zaobserwowano nigdy wcześniej. Do kwiet-nia 1990 r. detektor Crystal Barrel zarejestrował35 tys. takich zdarzeń – gigantyczny zbiór pomiarów!

Grupa pod kierunkiem Eberharda Klempta, pod-ówczas z Uniwersytetu Mogunckiego, zajęła się analizątej reakcji. W lipcu 1990 r. fizycy ze współpracy Cry-stal Barrel zaczęli ostrożnie przedstawiać swoje wyniki,które interpretowali jako obserwację nowego mezonuo spinie 2. Dwa lata później David Bugg z Queen Maryand Westfield College i Peter Blum z Uniwersytetuw Karlsruhe (obaj uczestniczący w tym eksperymen-cie) niezależnie przejrzeli jeszcze raz wyniki i doszli downiosku, że lepiej by je tłumaczyły dwie nowe cząstkio spinie 0. W roku 1994, po przestudiowaniu znaczniewiększego zbioru danych, badacze ze współpracy Cry-stal Barrel doszli do wniosku, że prawdziwa jest kombi-nacja obu rozwiązań. Najbardziej ekscytującą cząstkąbyła jedna z tych o zerowym spinie, nazwana f0(1500)zgodnie z konwencją, według której nazwa zawiera spini masę (1500 MeV/c2, ponad półtorej masy protonu).

Z upływem następnego roku, gdy dodawano wy-niki kolejnych pomiarów, stawało się coraz bardziejoczywiste, że f0(1500) prawdopodobnie nie jest zwy-kłym mezonem. W roku 1995 Amsler i Frank Close

z Rutherford Appleton Laboratory w Anglii opubliko-wali pierwszy artykuł, w którym twierdzili, że cząstkata jest w gruncie rzeczy kulą gluonową. Jeszcze w tymsamym roku Donald Weingarten, teoretyk z IBM Wat-son Research Center w Nowym Jorku, argumento-wał jednak, że f0(1500) jest zwykłym mezonem: nie-uchwytna kula gluonowa według jego ocen powinnabyć cięższa. Wysunął za to sugestię, że kulą gluonowąmoże z powodzeniem być f0(1710) – ciekawa cząstka,znana już wtedy od ponad 10 lat. Wielu fizyków sądziobecnie, że obie te cząstki są kwantowymi superpozy-cjami kuli gluonowej i dwóch mezonów.

Eksperyment Crystal Barrel działał aż do roku1996, gdy pierścień niskoenergetycznych protonóww CERN-ie został wyłączony. Doświadczenie w Gene-wie nie było jednak jedyną próbą upolowania cząstkiegzotycznej. W połowie lat 80. Jurij D. Prokosz-kin z grupą rosyjskich kolegów twierdzili, że odkrylinową cząstkę rozpadającą się na cztery fotony – by-łoby to pierwsze wykrycie egzotycznej hybrydy. Detek-tory, które ustawili w CERN-ie oraz Instytucie Wiel-kich Energii w Protwinie („miasteczku naukowym”pod Moskwą, zbudowanym wokół akceleratora czą-stek) składały się z bloków szkła ołowiowego służącychdo pomiarów energii fotonów powstających w rozpa-dach mezonów. Rosyjscy badacze nie próbowali wy-kryć cząstek naładowanych, obserwowali jedynie fo-tony, niemniej wykazali, że potrafią tą metodą iden-tyfikować dobrze poznane mezony. Pomimo to ich ra-porty o wykryciu mezonów egzotycznych spotkały sięze sceptycyzmem z powodu niespójności w skompliko-wanej analizie danych.

We wczesnych latach 90. jeden z nas (Dzierba)nawiązał współpracę z Suh Urk Chungiem z Brookha-ven National Laboratory, aby sprawdzić wyniki Ro-sjan. Zaczęliśmy tworzyć grupę, której celem było ulep-szenie detektora cząstek naładowanych w Brookhaven,zwanego spektrometrem wielocząstkowym – wielkiegomagnesu z przyłączonymi komorami drutowymi. Nato-miast członkowie grupy Dzierby w Indiana Universitypołączyli siły z inną grupą z Protwina, kierowaną przezSiergieja P. Denisowa, aby zbudować detektor fotonówzawierający 3000 bloków szkła ołowiowego.

Jeżeli grupa Prokoszkina rzeczywiście odkryłacząstkę egzotyczną, to cząstka ta powinna być wi-doczna zarówno w śladach naładowanych cząstek po-chodzących z rozpadów, jak i przez obserwacje powsta-jących fotonów. Eksperymenty w Brookhaven, wyko-rzystujące spektrometr wielocząstkowy i 11 ton szkłaołowiowego, powinny być czułe na oba rodzaje sygna-łów. Pierwszy test odbył się w 1993 r., dwie serie da-nych zebrano w latach 1994 i 1995. Nasze pierwszepróby znalezienia wyraźnych rozpadów czterofotono-wych nie powiodły się, ale taki wynik nie był specjal-nym zaskoczeniem: do tego czasu większość fizykówcząstek straciła zaufanie do pierwotnego odkrycia, po-nieważ powtórna analiza rosyjskich pomiarów podwa-żyła początkową interpretację. Inne raporty na temat



Rys. 10. Urządzenie Crystal Barrel zbudowane w 1989 r. w CERN-ie zawierało 1380 detektorów z jodkucezu (1). Otaczały one komorę (2) zawierającą ok. 4000 gęsto rozpiętych równoległych drutów (zdjęcie),które dodatkowo rejestrowały naładowane cząstki powstające w zderzeniach wysokoenergetycznych antypro-tonów (3) z protonami tarczy z ciekłego wodoru (4). Szczególnie ważny wynik eksperymentu Crystal Barrelpochodzi z analizy reakcji produkującej trzy obojętne piony (π0, u dołu po lewej), z których dwa pocho-dziły z rozpadu intrygującej, krótko żyjącej cząstki. Nie da się w takim przypadku ustalić, która para z tychtrzech pionów pochodzi z badanej cząstki. Dlatego badacze analizują wiele przypadków takich procesów i dlakażdego robią wykres sumy energii dwóch pionów w funkcji sumy energii innej pary, oznaczając różnymi bar-wami lub stopniami szarości różne gęstości występowania punktów odpowiadających wynikom analizy. Liniedużej gęstości na takim „diagramie Dalitza” (przerywane kreski na rys. u dołu po prawej) ujawniają krótkożyjącą cząstkę i jej masę – w tym przypadku ok. 1500 MeV/c2. Ta cząstka, nazwana f0(1500), była przezniektórych uważana za kulę gluonową, ale obecnie wielu fizyków sądzi, że jest to kwantowa superpozycja kuli

gluonowej i dwóch mezonów.

tego samego mezonu egzotycznego zostały w końcurównież uznane za błędne identyfikacje. Przyczyną błę-dów było niepełne zrozumienie działania aparatury,które doprowadziło niektórych badaczy do interpreto-wania niewielkiej części rozpadów licznych zwykłychmezonów jako śladów rzadkich hybryd egzotycznych.

W tym samym czasie uczestnicy współpracyz Brookhaven przeanalizowali inny możliwy kanał roz-padu (na dwa fotony i naładowany pion), używającdanych zebranych w 1994 r., i wysunęli hipotezę istnie-nia egzotycznej hybrydy o tych samych własnościach(masie i JPC), co w oryginalnych wynikach Rosjan.Ponadto jeszcze jedna grupa z Protwina zaobserwo-

wała ten sam kanał rozpadu, ale nie zdecydowała sięna ogłoszenie odkrycia mezonu egzotycznego. Krążyłyteż plotki, że również w detektorze Crystal Barrel wy-kryto ślady podobnej cząstki.

Wśród fizyków uczestniczących we współpracyz Brookhaven zaczęła się intensywna dyskusja. Więk-szość była przekonana o odkryciu mezonu egzotycz-nego i chciała natychmiast opublikować raport. Ci jed-nak z nas, którzy pracują w Indiana University, niechcieli się zdecydować na takie stwierdzenie, przynaj-mniej nie przed analizą wyników obu serii pomiarów.Niemniej większość zdecydowała o szybkim ogłoszeniuw Physical Review Letters o odkryciu nowej cząstki



hybrydowej o masie 1400 MeV/c2. Wkrótce potemgrupa z CERN-u opublikowała dane potwierdzająceistnienie tej cząstki, nazwanej π1(1400).

Te kontrowersje wytworzyły nieprzyjemne napię-cia między współpracującymi zespołami, lecz nieba-wem wszyscy razem obwieścili odkrycie jeszcze jednejcząstki egzotycznej, z zupełnie innym kanałem rozpadui większą masą. Analiza tej cząstki, nazwanej ρ(1600),nie obejmowała problemów mogących poprzednio spo-wodować fałszywą identyfikację lżejszej hybrydy, a jejodkrycie zostało wkrótce potwierdzone w niezależnymeksperymencie. Niemniej problemem pozostaje fakt, żeoba znalezione mezony mają masy mniejsze niż wska-zywana przez niektórych teoretyków najmniejsza moż-liwa masa cząstek egzotycznych (1900 MeV/c2). Cowięcej, w obu przypadkach kanały rozpadu nie byłytakie, jakich teoretycy wcześniej się spodziewali.

Dziewicze tereny

Wszyscy trzej współpracujemy z innymi ekspery-mentatorami i teoretykami (razem ok. 80 osób z 25 in-stytucji w 7 krajach) nad wykorzystaniem wiązki foto-nów do wytwarzania mezonów egzotycznych. Dlaczegowłaśnie fotonów? Przede wszystkim niewiele wiadomoo mezonach, które mogą powstawać z wysokoenerge-tycznych fotonów. Co jednak ważniejsze, QCD wska-zuje, że wiązki fotonów powinny się idealnie nadawaćdo produkcji cząstek egzotycznych: kwantowo rzeczbiorąc, foton z dużym prawdopodobieństwem może za-chowywać się przez krótki czas jak para kwark–anty-kwark o równoległych spinach. Nathan Isgur (podów-czas na Uniwersytecie w Toronto) i Jack Paton (z Uni-wersytetu w Oksfordzie) wysunęli przypuszczenie, żepole między tą parą może zostać wzbudzone (struna– szarpnięta) w czasie zderzenia z nieruchomą tarczą.W takim procesie powinny łatwo tworzyć się cząstkio egzotycznych wartościach JPC – takie wartości by-łyby niezbitym dowodem na znalezienie mezonów hy-brydowych.

Eksperyment ten będziemy prowadzić w Tho-mas Jefferson National Accelerator Facility w New-port News w Wirginii (USA), gdzie obecnie działawielki akcelerator elektronów. Po pewnych modyfika-cjach wysokoenergetyczne elektrony z tego urządze-nia można byłoby wykorzystać do wytwarzania od-powiednich wiązek fotonów. Trik polegałby na prze-puszczeniu pędzących elektronów przez cienką płytkęsyntetycznego diamentu. Elektrony będą wylatywałyz akceleratora ok. 6 metrów pod ziemią i zderzały sięz diamentową tarczą. Niektóre z nich zostaną spowol-nione, produkując fotony promieniowania hamowania.Jeżeli wszystko jest odpowiednio przygotowane, to naskutek spójnego odrzutu atomów kryształu diamentumoże nastąpić wzmocniona emisja fotonów o pewnychszczególnych wartościach energii, tzw. spójnego pro-mieniowania hamowania. Takie zjawisko daje dodat-kową korzyść: powstaje wiązka fotonów o polaryzacji

liniowej, tzn. pole elektryczne ma jeden ustalony kie-runek. Ta cecha ułatwia wyznaczenie JPC produko-wanych mezonów. Warto dodać, że wiązki pionów za-zwyczaj wykorzystywane do wytwarzania nowych me-zonów nie mogą być spolaryzowane.

Fotony wyprodukuje tylko część elektronów, leczwszystkie zostaną odchylone w stronę otaczającegogruntu (rys. 11). Tylko fotony – ok. 50 milionów w każ-dej sekundzie – osiągną tarczę. Detektor będzie sięskładał z wielkootworowego magnesu nadprzewodni-kowego z wewnętrznymi komorami drutowymi i kalo-rymetrami oraz masywnego kalorymetru ze szkła oło-wiowego na jednym końcu. Aby obniżyć koszty, wy-korzystamy istniejącą już aparaturę. Magnes nadprze-wodnikowy, wart ok. 12 milionów dolarów amerykań-skich, zbudowano 30 lat temu na potrzeby ekspery-mentu w SLAC-u. W połowie lat 80. został przenie-siony do Los Alamos National Laboratory w celu prze-prowadzenia innych badań i niedługo zostanie przywie-ziony do Jefferson Lab, gdzie będzie wykorzystany wnaszym eksperymencie. Kalorymetr ze szkła ołowio-wego będzie przewieziony z Brookhaven, gdzie zostałzbudowany za 3 miliony dolarów. Jeśli wszystko prze-biegnie zgodnie z planem, to pierwsze pomiary cząstekegzotycznych zostaną wykonane około roku 2008. Po-mimo oszczędności związanych z użyciem już istnie-jącego sprzętu całkowity koszt eksperymentu wyniesiejednak ok. 30 milionów dolarów.

Jak widać, skala przedsięwzięcia jest olbrzymia.Ale nasz eksperyment nie jest jedynym, który jestw przygotowaniu. Nowe badania są albo planowane,albo już prowadzone w Genewie, Nowosybirsku i Pe-kinie. Zupełnie nowe laboratorium mające prowadzićtego rodzaju badania jest projektowane w Japonii.Oczekujemy, że w ciągu najbliższych 10 lat zostanieodkryty i szczegółowo zbadany bogaty zbiór egzotycz-nych hadronów. Dopiero wtedy fizycy cząstek będąmogli twierdzić, że naprawdę zrozumieli, jak są zbu-dowane kule gluonowe i hybrydy, jak rozpadają się ha-drony, jak oddziałują i skąd bierze się ich masa. I conajważniejsze, dopiero wtedy będziemy mogli powie-dzieć, że naprawdę rozumiemy Model Standardowy.

Uzupełnienie(Alex R. Dzierba, grudzień 2004)

11 listopada 2003 r. Spencer Abraham, amery-kański sekretarz ds. energii, wygłosił przemówieniew National Press Club w Waszyngtonie, przedstawia-jąc plan, który w ciągu najbliższych 20 lat ma do-prowadzić do powstania w Stanach Zjednoczonych no-wych wielkich urządzeń badawczych. Jednym z krót-koterminowych priorytetów tego planu jest podwojenieenergii akceleratora elektronowego CEBAF (Continu-ous Electron Beam Accelerator Facility) w JeffersonLab oraz budowa nowej hali pomiarowej (Hall D) i apa-ratury pokazanej na rys. 11. Według owego 20-letniego



Rys. 11. Eksperyment planowany przez autorów niniejszego artykułu i ich współpracowników w JeffersonNational Accelerator Facility w Newport News w Wirginii (USA) wykorzysta urządzenia z wcześniejszychdoświadczeń. Magnes nadprzewodnikowy wielkości pokoju (zdjęcie po lewej), aktualnie w Los Alamos Na-tional Laboratory w Nowym Meksyku (USA), i 11-tonowy detektor ze szkła ołowiowego (zdjęcie po prawej),aktualnie w Brookhaven Laboratory w Nowym Jorku, zostaną przewiezione i staną się częścią nowego urzą-dzenia pomiarowego. Zderzając się z cieniutką płytką diamentową, wysokoenergetyczna wiązka elektronówwyprodukuje fotony promieniowania γ (1). Tor elektronów (z których część ulegnie spowolnieniu w diamen-cie) zostanie odchylony, tak że tylko fotony zderzą się z tarczą. W przykładowej reakcji, w zderzeniu powstajeproton i krótko żyjąca cząstka a2, która rozpada się na mezony ρ− oraz π+. Pierwsza z tych cząstek rozpadasię szybko na π− oraz π0, które z kolei rozpada się na dwa fotony. Tory obu naładowanych pionów (2)zakrzywiają się w polu magnetycznym i kończą się w miejscu zderzenia tych cząstek z jednym z detektorów.Natomiast fotony powstające w reakcji (3) poruszają się po liniach prostych dopóty, dopóki nie wpadnądo detektora ze szkła ołowiowego lub kalorymetru beczkowego (w tych przypadkach mogą zostać wykryte)lub zderzą się z inną częścią urządzenia. [Fotografie dzięki uprzejmości odpowiednio Los Alamos National

Laboratory i Brookhaven National Laboratory]

planu Departamentu Energii „realizacja tego przed-sięwzięcia pozwoli naukowcom podjąć próbę zgłębie-

nia jednej z wielkich tajemnic współczesnej fizyki –mechanizmu wiążącego kwarki. Nowe obliczenia prze-



prowadzone na superkomputerach wskazują, że mogąbyć zań odpowiedzialne pola w postaci wiązek, któ-rych wzbudzenie powinno prowadzić do wytworzenianigdy wcześniej nieobserwowanych cząstek elementar-nych”. 19 kwietnia 2004 r. Kyle McSlarrow, zastępcasekretarza ds. energii, i John Warner, senator ze stanuWirginia, uczestniczyli w Jefferson Lab w ceremoniioficjalnej inauguracji przedsięwzięcia.

Współpraca przy eksperymencie obejmuje ponad100 fizyków z 25 instytucji w 6 krajach, w tym w Pol-sce (Robert Kamiński i Leonard Leśniak z Insty-tutu Fizyki Jądrowej PAN im. Henryka Niewodni-czańskiego w Krakowie – red.). Prowadzą oni pro-gram wstępnych badań, którego celem jest optyma-lizacja konstrukcji detektora, przygotowanie oprogra-mowania analizy danych oraz rozwinięcie teorii bada-nych zjawisk. Eksperyment i cała współpraca przy-jęły nazwę GlueX (od ang. gluonic excitations expe-riment, www.gluex.org). Oficjalnym przedstawicielemwspółpracy jest Alex Dzierba, a Curtis Meyer jestjego zastępcą. Eric Swanson jest członkiem należą-cej do współpracy grupy teoretyków, której przewodziAdam Szczepaniak, dyrektor Nuclear Theory Centerw Indiana University. Konstrukcja urządzeń badaw-

czych i unowocześnienie akceleratora mają zakończyćsię w 2008 r., a pierwszych wyników można się spo-dziewać rok lub dwa lata później.

Tłumaczył Marek WięckowskiInstytut Fizyki TeoretycznejUniwersytet Warszawski

Lektura uzupełniająca

F.E. Close, The Cosmic Onion (American Institute ofPhysics Press, New York 1983); F. Close, Kosmiczna ce-bula: kwarki i Wszechświat (PWN, Warszawa 1988).F. Close, M. Martin, C. Sutton, The Particle Explosion(Oxford University Press, Oxford 1987).F.E. Close, P.R. Page, „Glueballs”, Scientific American,November 1998, s. 80.C. Amsler, „Proton-antiproton annihilation and mesonspectroscopy with the Crystal Barrel”, Rev. Mod. Phys.70, 1293 (1998).D.R. Thompson i in., „Evidence for exotic meson pro-duction in the reaction π−p → ηπ−p at 18 GeV/c”,Phys. Rev. Lett. 79, 1630 (1997).

G.S. Adams i in., „Observation of a new JPC = 1−+

exotic state in the reaction π−p → π+π−π−p at 18GeV/c”, Phys. Rev. Lett. 81, 5760 (1998).

Redakcja dziękuje prof. Adamowi Szczepaniakowi za przejrzenie tłumaczenia.

ALEX R. DZIERBA otrzymał doktorat z doświadczalnej fizyki cząstek w 1969 r. na Uni-versity of Notre Dame. Po czteroletnim kontrakcie w Caltechu zaczął pracę na IndianaUniversity, gdzie nadal uczy i prowadzi badania.

CURTIS A. MEYER uzyskał doktorat z doświadczalnej fizyki cząstek na UniwersytecieKalifornijskim w Berkeley w 1987 r. Prowadził badania na Uniwersytecie w Zurychu,a następnie, w 1993 r., został profesorem na Wydziale Fizyki Carnegie Mellon University.

ERIC S. SWANSON otrzymał doktorat z fizyki w 1991 r. na Uniwersytecie w Toronto,gdzie badał dwuwymiarowe układy kwantowe spinów. Pracował m.in. w Centrum FizykiTeoretycznej MIT, w Rutherford Appleton Laboratory w Wielkiej Brytanii i North Caro-lina State University oraz na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu w Pittsburghu.


na tropie egzotycznych hadronópostĘpy fizyki tom 56 zeszyt 1 rok 2005 21 a.r. dzierba, c.a. meyer,...

Documents