Dokazování existence tetrakvarků a pentakvarků se zdá být nekončící historií. Nyní se snad konečně blížíme tomu, že by mohla být pozitivně vyřešena. Hlavně experimentu LHCb, který využívá urychlovač LHC, se podařilo pozorovat několik velice slibných kandidátů. Zdá se, že zásadním zlomem byl právě přechod k multikvarkům s obsahem těžkých kvarků c a b

Kvarkové složení hmoty a multikvarky

Dnes víme, že protony a neutrony v jádrech atomů jsou složeny z kvarků, které drží pohromadě extrémně intenzivní silná interakce. Specifické vlastnosti silné interakce způsobují, že v normálních podmínkách nepozorujeme volné kvarky a v přírodě existují pouze určité přesně definované počty a kombinace kvarků. Je to dáno tím, že silná interakce má tři různé typy náboje, který nazýváme barvou (označují se jako zelený, modrý a červený). Každý kvark může existovat ve variantách s každou z těchto barev. Antikvarky pak mohou mít tři varianty antibarvy. V normálních podmínkách mohou existovat pouze objekty z pohledu náboje silné interakce neutrální. To nastane v případě, že se setkají tři kvarky o různé barvě. Případně tři antikvarky s různými antibarvami. Takové částice se označují jako baryony, případně antibaryony. Další možností získání neutrálního objektu je kombinace kvarku s barvou a antikvarku s odpovídající antibarvou. V tomto případě se jedná o mezony.

Experiment LHCb využívá srážky protonů na urychlovači LHC k hledání multikvarkových systémů (zdroj CERN).

Neutrální z pohledu silné interakce pak budou i systémy se dvěma kvarky a dvěma antikvarky, tedy s kombinací kvarků jako u dvou mezonů. V tom případě jde o tetrakvark. Stejně tak můžeme mít neutrální systém, který se skládá ze tří kvarků plus dvojice kvark a antikvark, případně ze tří antikvarků a dvojice kvark a antikvark. V tomto případě tento pentakvark odpovídá soustavě baryonu a mezonu nebo antibaryonu a mezonu. Podobnými kombinacemi můžeme dostat i systémy ještě většího počtu kvarků.

Jak se multikvarkové systémy hledají?

Jako velký počet nestabilních těžších hadronů by i multikvarky měly mít velmi krátkou dobu života. Nedoletí tak k detektorům a nelze je zachytit. Jejich existenci tak lze prokázat pouze z detekce produktů jejich rozpadů. Pomáhá nám v tom speciální teorie relativity. Pokud totiž určíme energie a hybnosti sekundárních částic vzniklých v rozpadu hledané částice, umožňují nám rovnice této teorie spočítat její klidovou energii a tím i hmotnost. Pokud se tak bude z příslušné kombinace částic, u kterých předpokládáme, že vznikají v rozpadu hledaného multikvarku, počítat tato hmotnost, dostaneme v případě jeho existence v místě jeho hmotnosti pík. Pokud naopak nebudou tyto částice spolu souviset a nebudou pocházet z rozpadu jedné částice, bude mít spočtená hmotnost náhodnou hodnotu a dostaneme spojité rozplizlé spektrum hodnot. Vlivem extrémně krátké doby života multikvarků, částice rozpadající se silnou interakcí tak rychle se označují jako rezonance, je pík v místě jejích hmotnosti dost široký. S využitím Heisenbergova principu neurčitosti lze pak z jeho šířka tuto dobu života určit. Ta by měla být kratší než 10^-20 s.

Existuje velké množství baryonů a mezonů a jejich různých excitací. Předpovědět jejich hmotnosti pomocí kvarkového modelu a kvantové chromodynamiky, což je teorie popisující silnou interakci, je velmi náročné a přesnost předpovědi je omezená. Proto se u nově objevených částic někdy těžko rozhoduje, zda jde jen o „obyčejný“ baryon nebo mezon, nebo jde o multikvarkový systém.

Porovnání hmotnosti pozorovaných (exp) excitovaných stavů nukleonu a jejich výpočtů pomocí kvarkového modelu (QM) ukazuje, jak je náročná identifikace a interpretace obrovského množství hadronů (zdroj PDG).

Problém při identifikaci multikvarkových systémů může být i to, že v případě hledání jejich rozpadů na tři částice se mohou vytvářet v invariantním spektru struktury, které mohou připomínat rezonanci. Odlišení takových útvarů způsobených efekty kinematiky ve spektru od reálného rozpadu multikvarku pak potřebuje dobrou statistiku a analýzu.

Historie hledání tetrakvarků a pentakvarků

Otázka možné existence tetrakvarků nebo pentakvarků se řešila už krátce po vybudování základů kvarkového modelu a kvantové chromodynamiky. Hledají se již od šedesátých a sedmdesátých let. Situace s nimi je však dlouhodobě jako na houpačce. Vyhlášení objevu nových multikvarků střídalo jejich nepotvrzení a popření. Velmi nadějně vypadalo pozorování pomocí japonského zařízení LEPS na urychlovači elektronů SPring-8 na začátku tohoto století. Ten umožnil produkovat svazek gama s extrémní energii, který v reakci s nukleonem produkoval podivné mezony K a částice, které vypadaly jako produkty rozpadu pentakvarku. V daném případě těmito koncovými částicemi byl K⁺ mezon a neutron. Složení pentakvarku se tak předpokládalo (u,d,d) a (u,anti-s). Stav zkoumaní pentakvarku v té době je populárně popsán v článku pro časopis Kozmos. Později se však ukázalo, že i v tomto případě šlo o planý poplach a existence tohoto pentakvarku se nepotvrdila. S největší pravděpodobností tak šlo o kinematické efekty.

Další zlom se odehrál po spuštění urychlovače LHC, který doplnil a rozšířil možnosti studia kvarkových systémů s těžkými kvarky c a hlavně b. Ty se do té doby studovaly hlavně na zařízeních Belle a BaBar. Ty využívaly srážky elektronu a pozitronu urychlených japonském zařízení KEK a americkém SLAC. Při srážkách protonů a antiprotonů se pak hledaly v americkém Fermilabu, kde experiment D0 využíval urychlovač Tevatron. Na tato studia navázal hlavně experiment LHCb na zmíněném urychlovači LHC. Potvrdil některé kandidáty pozorované zmíněnými dřívějšími experimenty. Některé naopak vyloučil. Sám pak identifikoval několik dalších adeptů na možné multikvarkové systémy.

Belle experiment v japonské laboratoři KEK je také úspěšný v hledání kandidátů na multikvarkové systémy (zdroj KEK).

Zásadní rozdíl mezi situací v předchozí době a kandidáty pozorovanými nyní i experimenty LHC je právě přítomnost těžkých kvarků c nebo b. Zdá se tak, že multikvarky obsahující pouze lehké kvarky buď nemohou existovat nebo je jejich produkce velmi náročná a potřebuje specifické podmínky. Přítomnost těžkých kvarků naopak vede k tomu, že multikvarky vznikají a jejich produkce je dosažitelná.

Multikvarkové systémy s těžkými kvarky

Připomeňme si, že hmotnost kvarků u a d je v jednotkách MeV a kvarku s pak okolo 92 MeV. Dominantní část klidové energie baryonů a mezonů z těchto kvarků pak tvoří energie spojená s polem silné interakce a samotná klidová energie kvarků tvoří jen malou část. Kvark c má klidovou energii 1270 MeV (1,27 GeV) a kvark b pak 4200 MeV (4,2 GeV). Baryony a mezony, ve kterých jsou obsaženy, tak mají velkou část klidové energie tvořenu právě jejich hmotností. Kvark t má hmotnost 175 GeV. Je tedy extrémně těžký a přeměňuje se na jiné kvarky tak rychle, že se nestihne spojit s jinými kvarky do hadronů. Baryony a mezony s kvarkem t tak neexistují.

Nejtěžší baryony a mezony tak obsahují kvarky c a b, které jsou v nich nerelativistické a jejich klidová energie tvoří velkou část klidové energie hadronu. Je pravděpodobné, že pro existenci multikvarku je právě toto důležité.

Kandidát na tetrakvark Zc pozorovaný experimenty Belle (Japonsko) a BESIII (Čína) s hmotností 3900 MeV a složením c, anti-c, u, anti-d (zdroj APS/Alan Stonebraker, via Physics Viewpoint, DOI: 10.1103/Physics.6.69

Konkrétní vlastnosti multikvarkového systému závisí na konkrétní konfiguraci soustavy. První možností je systém složený ze dvou mezonů nebo mezonu a baryonu. Ten spíše připomíná molekulu. Druhou možností je reálný kompaktní tetrakvark nebo pentakvark. V tomto případě by měla být doba života objektu delší. Ta se projeví v šířce pozorované rezonance. Pro stejné kvarkové složení můžeme dostat několik možných částic (rezonancí) s různým spinem (momentem hybnosti) a i hmotností.

Kandidáti na tetrakvarky

Pozorovaní kandidáti na tetrakvarky jsou označovány jako X, Y a Z. Kandidáti X a Y jsou neutrální. U kandidátů Z se vyskytuje pár stejného těžkého kvarku a antikvarku a nabitá kombinace lehkého kvarku a antikvarku. Pokud je to dvojice c a anti-c, tak se jedná o tetrakvark Z_c, pokud pak b a anti-b, tak jde o Z_b.

Většina nalezených kandidátů obsahuje právě kombinaci párů půvabného kvarku c a jeho antikvarku. Nejznámější je kandidát X(3872) pozorovaný v několika experimentech a několika kanálech rozpadu. Obsahuje pár půvabného kvarku c a jeho antikvarku a směs párů kvarku a antikvarku stejné vůně. Příkladem nabitého tetrakvarku obsahujícího dvojici půvabného kvarku a antikvarku je Z_c(3900), u něhož se předpokládá složení c, anti-c, u a anti-d.

Neutrální tetrakvark X(3872), který byl pozorován v řadě experimentů i rozpadů (zdroj M. Karliner, J. L. Rosner, T. Skwarnicki: Multiquark States, arXiv:1711.10626v1).

Koncem srpna 2020 byl prezentován na semináři v laboratoři CERN objev prvního kandidáta na tetrakvark s tzv. otevřeným půvabem. Tedy takového, ve které není kombinace kvarku c s jeho anti-kvarkem, ale kde je pouze jeden půvabný kvark c. Kandidát byl identifikován při produkci B⁺ mezonů, které se rozpadaly na tento tetrakvark a ten se následně rozpadal na dvojici mezonů, kterými byly D^- a K⁺. Tetrakvark označený jako X(2900) by měl mít hmotnost zhruba 2900 MeV a složení anti-c, u, d a anti-s. Jde o velmi zajímavý objekt, ale pro jeho potvrzení bude potřeba jeho pozorování v dalších kanálech rozpadu i jinými experimenty.

Kandidáti na pentakvarky

Jak bylo už zmíněno a popsáno i v odkazovaném článku pro časopis Kozmos, v historii se objevila řada kandidátů na pentakvarky. Ty se však nepodařilo potvrdit. Teprve experiment LHCb objevil multiplet rezonancí P_c⁺, které jsou perspektivními kandidáty na tyto multikvarky. Těžkými kvarky, které obsahují jsou c a anti-c, těžkými pak u, u a d. Mohlo by jít o reálný kompaktní pentakvark nebo o hadronovou „molekulu“ složenou z protonu a mezonu J/ψ.

Pozorovaní kandidáti na pentakvark Pc+ identifikovaní s jeho rozpadu na mezon J/ψ a proton (zdroj PDG).

O jaký reálný objekt jde, by mohl ukázat přesný rozbor vlastností multipletu rezonancí s různými momenty hybnosti a hmotnostmi P_c(4312)⁺, P_c(4380)⁺ a P_c(4312)⁺. Zatím byl tento pentakvarkový kandidát pozorován pouze v jednom experimentu a jednom kanále rozpadu. O jeho reálnosti a jeho povaze však mohou rozhodnout pozorování jinými experimenty, hlavně jinými způsoby produkce a v jiných kanálech rozpadu. Velmi zajímavý by byl jeho rozpad na baryon Λ_c a mezon anti-D^(*) nebo proton a mezon η_c.

Jednou z možných cest produkce pentakvarku Pc+ je rozpad baryonu Λb0

Ale pozorování těchto kanálů rozpadu tohoto případného pentakvarku je mnohem větší výzvou a jejich pravděpodobnosti budou také nejspíše nižší než četnost rozpadu toho pozorovaného.

Závěr

Je vidět, že v posledním desetiletí je hlavně v oblasti tetrakvarků velký počet kandidátů na takové objekty. Některé byly pozorovány pomocí několika experimentů a v několika kanálech rozpadu. Co se týká existence těchto částic, tak jsou pak jen malé pochybnosti. Ovšem jejich interpretace jako tetrakvarky, a ještě více jejich přesná konfigurace, jsou stále s otazníkem. Je však velká šance, že analýza dat z experimentů na urychlovači LHC i z dalších specializovaných pracovišť zabývajících se hledáním nových hadronů z těžkými kvarky už brzy otázku existence multikvarkových systémů a jejich vlastnosti rozřeší. Další pokrok určitě umožní vylepšení urychlovače LHC a nové velké urychlovače, které se připravují. Pomáhá i stále lepší pochopení kvarkového modelu a počítání vlastností různých typů hadronů. Je tak velká šance, že se už brzy dozvíme odpověď na otázku v titulku článku.