Naukowcom udało się po raz pierwszy zsyntetyzować egzotyczny, ale bardzo krótkotrwały rezonans Lambda, znany jako Λ(1405).

Naukowcy z Uniwersytetu w Osace brali udział w eksperymencie z akceleratorem cząstek, w wyniku którego wyprodukowano egzotyczną i wysoce niestabilną cząstkę oraz określono jej masę. Może to przyczynić się do lepszego zrozumienia wewnętrznego działania ultragęstych gwiazd neutronowych.

Model standardowy fizyki cząstek elementarnych wyjaśnia, że ​​większość cząstek składa się z kombinacji zaledwie sześciu rodzajów podstawowych bytów zwanych kwarkami. Jednak nadal istnieje wiele nierozwiązanych tajemnic, z których jedną jest Λ(1405), egzotyczny, ale ulotny rezonans Lambda. Wcześniej uważano, że jest to specyficzna kombinacja trzech kwarków – górnego, dolnego i dziwnego – a poznanie jego składu może pomóc w odkryciu informacji o niezwykle gęstej materii w gwiazdach neutronowych.

Teraz badacze z Uniwersytetu w Osace byli częścią zespołu, któremu udało się po raz pierwszy zsyntetyzować Λ(1405), łącząc K^– mezon i proton oraz wyznaczanie jego masy zespolonej (masy i szerokości). K^– mezon to ujemnie naładowana cząstka zawierająca kwark dziwny i antykwark górny.

Schematyczna ilustracja reakcji wykorzystanej do syntezy Λ(1405) poprzez fuzję K- (zielone kółko) z protonem (ciemnoniebieskie kółko), która zachodzi wewnątrz jądra deuteronu. Źródło: Hiroyuki Noumi

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 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 autor badania, Kentaro Inoue.

Egzotyczny barion zwany Λ(1405) i schematyczna ilustracja ewolucji materii. Źródło: Hiroyuki Noumi

Jednym z aspektów, który wprawiał naukowców w zakłopotanie w przypadku Λ(1405), była jego bardzo lekka masa całkowita, mimo że 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.

(Góra) Zmierzony przekrój poprzeczny reakcji. Oś pozioma to energia odrzutu zderzenia K i protonu przeliczona na wartość masy. Duże reakcje zachodzą przy wartościach mas mniejszych niż suma mas K- i protonu, co samo w sobie sugeruje istnienie Λ(1405). Zmierzone dane odtworzono za pomocą teorii rozpraszania (linie ciągłe). (Na dole) Dystrybucja K^– i amplitudy rozpraszania protonów. Po podniesieniu do kwadratu odpowiadają one przekrojowi poprzecznemu reakcji i są na ogół liczbami zespolonymi. Obliczone wartości są zgodne z danymi pomiarowymi. Gdy część rzeczywista (linia ciągła) przecina 0, wartość części urojonej osiąga wartość maksymalną. Jest to typowy rozkład stanu rezonansu i określa masę zespoloną. Strzałki wskazują część rzeczywistą. Źródło: 2023, Hiroyuki Noumi, Pole position Λ(1405) mierzone w d(K^–,n)πΣ reakcje, Fizyka Litery B

„Spodziewamy się, że postęp w tego typu badaniach może doprowadzić do dokładniejszego opisu materii o ultrawysokiej gęstości, która istnieje w jądrze[{” attribute=””>neutron star,” says Shingo Kawasaki, another study author. This work implies that Λ(1405) is an unusual state consisting of four quarks and one antiquark, making a total of 5 quarks, and does not fit the conventional classification in which particles have either three quarks or one quark and one antiquark.

This research may lead to a better understanding of the early formation of the Universe, shortly after the Big Bang, as well as what happens when matter is subject to pressures and densities well beyond what we see under normal conditions.

Reference: “Pole position of Λ(1405) measured in d(K−,n)πΣ reactions” by S. Aikawa, S. Ajimura, T. Akaishi, H. Asano, G. Beer, C. Berucci, M. Bragadireanu, P. Buehler, L. Busso, M. Cargnelli, S. Choi, C. Curceanu, S. Enomoto, H. Fujioka, Y. Fujiwara, T. Fukuda, C. Guaraldo, T. Hashimoto, R.S. Hayano, T. Hiraiwa, M. Iio, M. Iliescu, K. Inoue, Y. Ishiguro, S. Ishimoto, T. Ishikawa, K. Itahashi, M. Iwai, M. Iwasaki, K. Kanno, K. Kato, Y. Kato, S. Kawasaki, P. Kienle, Y. Komatsu, H. Kou, Y. Ma, J. Marton, Y. Matsuda, Y. Mizoi, O. Morra, R. Murayama, T. Nagae, H. Noumi, H. Ohnishi, S. Okada, Z. Omar, H. Outa, K. Piscicchia, Y. Sada, A. Sakaguchi, F. Sakuma, M. Sato, A. Scordo, M. Sekimoto, H. Shi, K. Shirotori, D. Sirghi, F. Sirghi, K. Suzuki, S. Suzuki, T. Suzuki, K. Tanida, H. Tatsuno, A.O. Tokiyasu, M. Tokuda, D. Tomono, A. Toyoda, K. Tsukada, O. Vazquez-Doce, E. Widmann, T. Yamaga, T. Yamazaki, H. Yim, Q. Zhang and J. Zmeskal, 20 December 2022, Physics Letters B.
DOI: 10.1016/j.physletb.2022.137637

The study was funded by the Japan Society for the Promotion of Science, Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology.