Standardowy model fizyki cząstek elementarnych mówi nam, że większość cząstek, które obserwujemy, składa się z kombinacji zaledwie sześciu rodzajów podstawowych bytów zwanych kwarkami. Jednak nadal istnieje wiele tajemnic, z których jedną jest egzotyczny, ale bardzo krótkotrwały rezonans Lambda, znany jako Λ(1405). Przez długi czas uważano, że jest to szczególny stan wzbudzony trzech kwarków – górnego, dolnego i dziwnego – a zrozumienie jego wewnętrznej struktury może pomóc nam dowiedzieć się więcej o niezwykle gęstej materii istniejącej w gwiazdach neutronowych.

Badacze z Uniwersytetu w Osace byli częścią zespołu, któremu udało się po raz pierwszy zsyntetyzować Λ(1405) poprzez połączenie K^– mezon i proton oraz wyznaczanie jego masy zespolonej (masy i szerokości). K⁻ mezon to ujemnie naładowana cząstka zawierająca kwark dziwny i antykwark górny. Znacznie bardziej znany proton, który tworzy materię, do której jesteśmy przyzwyczajeni, ma dwa kwarki górne i jeden dolny. Naukowcy wykazali, że Λ(1405) najlepiej jest traktować jako tymczasowy stan związany K^– mezon i proton, w przeciwieństwie do trójkwarkowego stanu wzbudzonego.

W swoim badaniu opublikowanym niedawno w Fizyka Litery B, grupa opisuje eksperyment, który przeprowadzili na akceleratorze J-PARC. k⁻ mezony zostały wystrzelone w tarczę deuterową, z których każda miała jeden proton i jeden neutron. W udanej reakcji K⁻ mezon wyrzucił neutron, a następnie połączył się z protonem, tworząc pożądane Λ(1405).

„Tworzenie stanu związanego K^– mezon i proton były możliwe tylko dlatego, że neutron zabrał część energii” – mówi Kentaro Inoue, autor badania. Jednym z aspektów, który wprawiał naukowców w zakłopotanie w przypadku Λ(1405), była jego bardzo lekka masa całkowita, nawet chociaż zawiera dziwny kwark, który jest prawie 40 razy cięższy niż kwark górny.Podczas eksperymentu zespołowi naukowców udało się z powodzeniem zmierzyć złożoną masę Λ(1405), obserwując zachowanie produktów rozpadu.

„Spodziewamy się, że postęp w tego typu badaniach może doprowadzić do dokładniejszego opisu materii o bardzo dużej gęstości, która istnieje w jądrze gwiazdy neutronowej” – mówi Shingo Kawasaki, inny autor badań.

Ta praca sugeruje, że Λ(1405) jest niezwykłym stanem składającym się z czterech kwarków i jednego antykwarku, co daje w sumie pięć kwarków i nie pasuje do konwencjonalnej klasyfikacji, w której cząstki mają albo trzy kwarki, albo jeden kwark i jeden antykwark. Badania te mogą pomóc w lepszym zrozumieniu wczesnych etapów formowania się Wszechświata, krótko po Wielkim Wybuchu, a także tego, co dzieje się, gdy materia jest poddawana ciśnieniom i gęstościom znacznie przekraczającym to, co obserwujemy w normalnych warunkach.