Φυσικοί που εργάζονται στο πείραμα LHCb του CERN εντόπισαν ένα σπάνιο σωματίδιο, το Xi cc+, που αναζητούνταν για δεκαετίες. Η ανακάλυψη κλείνει οριστικά μια εκκρεμότητα από το 2002, όταν ένα άλλο πείραμα είχε δει κάτι παρόμοιο — αλλά με λάθος μάζα. Το εύρημα αποδεικνύει επίσης πόσο ισχυρότερο έχει γίνει το αναβαθμισμένο LHC.
Στα έγκατα του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων του CERN, ένα σωματίδιο που υπήρχε μόνο στις θεωρητικές προβλέψεις εμφανίστηκε επιτέλους στα δεδομένα. Το Xi cc+ — ένα βαρύ, ασταθές σωματίδιο φτιαγμένο από δύο “charm” quarks και ένα “down” quark — ζει για ένα κλάσμα του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου πριν διαλυθεί σε άλλα σωματίδια. Αρκετό όμως για να αφήσει ίχνος.
Για να καταλάβουμε τι ακριβώς ανακαλύφθηκε, χρειάζεται λίγο πλαίσιο. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια — οι βασικοί δομικοί λίθοι της ύλης — ανήκουν σε μια κατηγορία σωματιδίων που ονομάζονται βαρυόνια. Κάθε βαρυόνιο αποτελείται από τρία quarks, τα οποία έρχονται σε διαφορετικές “γεύσεις”: up, down, strange, charm, bottom και top. Το πρωτόνιο, για παράδειγμα, έχει δύο up quarks και ένα down. Όταν όμως αντικαθιστάς τα ελαφριά quarks με βαρύτερα, όπως τα charm quarks, το σωματίδιο που προκύπτει είναι πολύ πιο ασταθές και εξαιρετικά δύσκολο να εντοπιστεί.
Το 2017, το ίδιο πείραμα, το LHCb, είχε ήδη ανακαλύψει τον “αδελφό” του νέου σωματιδίου: το Xi cc++, που περιέχει δύο charm quarks και ένα up quark. Το Xi cc+ που ανακαλύφθηκε τώρα έχει down quark αντί για up — μια διαφορά που το κάνει ακόμα πιο βραχύβιο, με προβλεπόμενη διάρκεια ζωής έξι φορές μικρότερη από εκείνη του Xi cc++. Αυτό εξηγεί γιατί χρειάστηκαν χρόνια και μια σημαντική αναβάθμιση του επιταχυντή για να γίνει ορατό. Η στατιστική σημαντικότητα της ανακάλυψης ξεπερνά τα 7 sigma — πολύ πάνω από το κατώφλι των 5 sigma που απαιτείται για να μιλάμε επίσημα για ανακάλυψη.
Η εύρεση του Xi cc+ λύνει επίσης ένα παλιό αίνιγμα. Το 2002, φυσικοί στο πείραμα SELEX του Fermilab στο Ιλινόις νόμιζαν ότι είχαν δει ένα παρόμοιο σωματίδιο — αλλά με μάζα πολύ χαμηλότερη από ό,τι προέβλεπε η θεωρία, και με στατιστική εμπιστοσύνη που δεν έφτανε για επίσημη ανακάλυψη. Το νέο εύρημα του CERN επιβεβαιώνει ότι η μάζα του σωματιδίου είναι κοντά σε αυτή του Xi cc++, όπως προέβλεπαν τα θεωρητικά μοντέλα — και κλείνει οριστικά την εκκρεμότητα του SELEX.
Πέρα από την ίδια την ανακάλυψη, το εύρημα αναδεικνύει κάτι ευρύτερο: τα αναβαθμισμένα όργανα του LHC επιτρέπουν πλέον να βλέπουμε σε ένα χρόνο αυτό που δεν μπορούσαμε να δούμε σε δέκα. Ταυτόχρονα, ανοίγει νέα ερωτήματα για τον τρόπο που η ισχυρή πυρηνική δύναμη — αυτή που συγκρατεί τα quarks μαζί — συμπεριφέρεται όταν έχει να κάνει με βαρύτερα quarks. Οι θεωρίες μας δεν προβλέπουν ακόμα με ακρίβεια πώς αλληλεπιδρούν αυτά τα βαρύτερα συστατικά ή ποιες μάζες αναμένονται. Τα πειραματικά δεδομένα, με άλλα λόγια, έχουν ξεπεράσει τη θεωρία — και αυτό, στη φυσική, είναι ακριβώς το σημείο όπου αρχίζουν τα ενδιαφέροντα πράγματα.
