Na tropie egzotycznych hadronów"
Alex R. Dzierbaa, Curtis A. Meyerb, Eric S. Swansonc
a
Department of Physics, Indiana University, Bloomington, Indiana, USA
b
Department of Physics, Carnegie Mellon University, Pittsburgh, Pennsylvania, USA
c
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 fundamental
building blocks of matter are impossible to isolate.
Wstęp W gruncie rzeczy problemy zaczęły się jednak już
w 1910 r., gdy Theodor Wulf, jezuita i fizyk, wszedł
Przez ostatnie ćwierćwiecze fizycy podejrzewali,
na wieżę Eiffla z elektrometrem na plecach. Urządze-
że musi istnieć subatomowa cząstka niepodobna do
nie to, które ojciec Wulf sam zaprojektował i zbudo-
żadnej innej  zbudowana wyłącznie z gluonów, które
wał, wykrywało cząstki naładowane. Wiedząc, że ta-
są  klejem spajającym materię na najbardziej fun-
kie cząstki są wysyłane przez radioaktywne minerały,
damentalnym poziomie. Działają one w obrębie jądra
badacz oczekiwał, że wskazania jego elektrometru się
każdego atomu, wiążąc naładowane składniki, które
zmniejszą, gdy przyrząd znajdzie się wysoko nad zie-
w przeciwnym wypadku by się odepchnęły. Ale czy to
mią. Po wspięciu się na wieżę zaobserwował jednak
możliwe, żeby ów klej odpowiedzialny za siły sam ist-
ze zdziwieniem wzrost wskazań. Wyjaśnienie: cząstki
niał również jako forma materii? Ostatnio poszukiwa-
subatomowe spadają na Ziemię z kosmosu.
nia nieuchwytnej cząstki zbudowanej wyłącznie z glu-
Chociaż z
ródło tych cząstek do dziś pozostaje do
onów, zwanej kulą gluonową (ang. glueball), nabrały
pewnego stopnia tajemnicą, w latach 20. i 30. ubie-
rozpędu, bo coraz więcej jest oznak jej istnienia. Ba-
głego wieku ich istnienie stało się dla fizyków oczy-
dacze znalez
li również ślady innych podobnie egzotycz-
wiste. A gdy skończyła się II wojna światowa, młodzi
nych cząstek. Po ponad stu latach od odkrycia pierw-
ludzie zaczęli się wspinać na szczyty Pirenejów i Alp,
szej cząstki subatomowej  elektronu  fizycy stoją
aby dokładniej zbadać owe  promienie kosmiczne .
u progu poznania całkiem nowego rodzaju materii.
Używane wtedy detektory składały się z wielkich sto-
sów płyt fotograficznych, które dosłownie fotografo-
Rozwój badań struktury materii
wały miniaturowe ślady pozostawione przez pędzące
cząstki. Te wysiłki, wraz z analizą cząstek wytworzo-
Aby w pełni zrozumieć, dlaczego fizycy, tacy jak
nych niedługo póz
niej w wielkich, rozbijających atomy
my, są zapalonymi poszukiwaczami kul gluonowych
akceleratorach, ujawniły ciągle wydłużającą się listę
i innych podobnych cząstek egzotycznych, potrzebna
cząstek powstających tylko w ekstremalnych warun-
będzie odrobina wysiłku. Chyba najlepiej zacząć od
krótkiej dygresji przedstawiającej historię naszej dzie- kach, m.in. kaonów, pionów i hiperonów �.
dziny. Dziś znamy ponad 200 takich cząstek. Fizycy
Od odkrycia elektronu w 1897 r. do odkrycia pro- początkowo podzielili je według mas na dwie klasy:
tonu minęło 14 lat, a do znalezienia neutronu  na- m e z o n y (od greckiego meso,  średni ) ważące więcej
stępnych 21 lat. W roku 1932 wydawało się, że elek- niż elektron, ale mniej niż proton, oraz b a r i o n y (od
tron, proton i neutron wystarczą do wyjaśnienia ca- greckiego bario,  ciężki ) ważące tyle co proton lub
łej fizyki cząstek elementarnych i pojawiło się komfor- więcej. Współczesny podział jest oparty nie na masie,
towe poczucie, że świat subatomowy został całkowicie ale na s p i n i e cząstek: mezony mają spin całkowity,
poznany. Niestety, to samozadowolenie miało wkrótce a bariony połówkowy, gdy wyrażamy go w jednostkach
ustąpić miejsca irytacji i zamieszaniu. stałej Plancka podzielonej przez 2Ą. (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. � 2000 Sigma Xi, The Scientific
Research Society]
20 POST
PY 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 moment tach� wojskowy Izraela w Londynie, studiujący jedno-
pędu wirującego bąka). cześnie fizykę w Imperial College) niezależnie zapro-
ponowali jej rozwiązanie. Obaj zdali sobie sprawę, że
Mezony i bariony nazywamy łącznie  hadronami
znany świat cząstek subatomowych może być pogru-
(od grec. adron,  silny ), ponieważ wszystkie te cząstki
powany według pewnej matematycznej symetrii, którą
podlegają o d d z i a ł y w a n i o m s i l n y m, które ra-
Gell-Mann nazwał d r o g ą o ś m i o k r o t n ą przez
zem z oddziaływaniami elektromagnetycznymi, sła-
analogię do buddyjskich  ośmiu dróg do oświecenia .
bymi i grawitacyjnymi stanowią cztery fundamen-
talne siły przyrody. Pierwsze wskazówki istnienia od-
Argumenty za trafnością tego pomysłu pojawiły
działywań silnych pojawiły się w latach 30., kiedy
się zaskakująco szybko. Już w kilka miesięcy po wy-
stało się oczywiste, że jądra atomów zawierają zwarte
myśleniu nowej teorii Gell-Mann uczestniczył w konfe-
grupy protonów i neutronów. Trudno było to zrozu-
rencji w CERN-ie, europejskim laboratorium cząstek
mieć  wzajemne odpychanie elektrostatyczne dodat-
w Genewie, i był wśród słuchaczy, gdy grupa z Uniwer-
nio naładowanych protonów powinno spowodować, że
sytetu Kalifornijskiego w Los Angeles ogłosiła o odkry-
składniki jądra atomu rozlecą się w różnych kierun-
ciu dwóch nowych barionów, ś"- oraz ś"0. Gell-Mann
kach. Fizycy rychło zrozumieli, że potrzebny jest inny
zauważył, że ta para prawie dopełniła grupę dziesię-
rodzaj fundamentalnych oddziaływań, takich, które
ciu spokrewnionych cząstek (rys. 2). Nie tylko od razu
mogą działać tylko na małych odległościach, skoro ni-
przewidział, że powinna istnieć jeszcze jedna cząstka
gdy nie zostały zaobserwowane poza jądrami.
tego typu, ale potrafił z grubsza odgadnąć jej wła-
Zatem już od dawna było jasne, że oddziaływa- sności. Owa śmiała hipoteza, którą Gell-Mann wysu-
nia silne istnieją i że odczuwają je wszystkie hadrony. nął publicznie przed wszystkimi zgromadzonymi, stała
Ale w jaki sposób nowe hadrony wpisują się w dopiero się sygnałem rozpoczęcia wyścigu do odkrycia nowej
co uporządkowany świat subatomowy (rys. 1)? Ta za- cząstki, nazwanej &!-. Została ona zaobserwowana już
gadka pozostawała nierozwiązana aż do roku 1961, w lutym 1964 r. przez grupę z Brookhaven National
kiedy Murray Gell-Mann (podówczas profesor Cali- Laboratory w Nowym Jorku, a po kilku tygodniach
fornia Institute of Technology) i Yuval Ne eman (at- z CERN-u nadeszło potwierdzenie tej obserwacji.
1930 1935 1940 1945 1950 1955 1960 1965
| | | | | | | |
leptony
e+ (0,511) �+ (105,6) �e (H" 0) �� (H" 0)
�- (105,6) �e (H" 0) �� (H" 0)
Ż Ż
mezony
Ą0 (135) � (547)
Ą+ (140) � (770)
Ą- (140) � (782)
K+ (494) K" (892)
K- (494) � (958)
K0 (498) f (980)
Ć (1019)
a2 (1318)
bariony
n (939,6) �0 (1115) p (938,3) Ł"0 (1385)
Ż
Ł+ (1189) n (939,6) Ł"-(1385)
Ż
Ż
Ł- (1197) �0 (1115) Ł"+(1385)
" (1230) Ł0 (1192) ś"0 (1530)
ś- (1321) ś0 (1315) ś"- (1530)
&!- (1672)
Rys. 1. Wśród wielu subatomowych cząstek odkrytych w latach 1930 65 szczególnie zdumiała fizyków wielka
różnorodność 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 to
dostarczyło wielu informacji na temat ich wewnętrznej struktury (masy spoczynkowe podano w nawiasach
w jednostkach energii  megaelektronowoltach  zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina, stwierdzającym
równoważność tych wielkości: E = mc2).
POST
PY FIZYKI TOM 56 ZESZYT 1 ROK 2005 21
A.R. Dzierba, C.A. Meyer, E.S. Swanson  Na tropie egzotycznych hadronów
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 ą
cienką warstwę miki i zaobserwowali, że choć zdecy-
dowana większość cząstek przelatujących przez tarczę
tylko nieznacznie zmieniała kierunek, to jednak nie-
kiedy cząstki ą odbijały się pod dużym kątem. Zasko-
czony Rutherford skomentował to słowami:  To tak,
jakby 15-calowy pocisk, wystrzelony w stronę arkusika
bibułki, odbił się od niego i uderzył w strzelającego .
Wkrótce zrozumiał, że tak dziwne zachowanie ozna-
cza, że atomy mają małe, ale ciężkie rdzenie  w ten
sposób odkrył jądra atomowe.
Rys. 2. Znano już siedem cząstek mających ten sam
spin (3/2)  dwa górne rzędy  kiedy w 1962 r. zo-
stały odkryte hiperony ś"- oraz ś"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 &!-, 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- Rys. 3. Model kwarkowy, zaproponowany w roku 1964,
przedstawiał proton złożony z dwóch kwarków  gór-
dronów bierze się stąd, że są one zbudowane z trzech
nych (u), każdy o ładunku (+2/3)e, i jednego  dol-
fundamentalnych składników. Gell-Mann ochrzcił je
nego (d) o ładunku (-1/3)e, co daje prawidłowy ładu-
 kwarkami  żartobliwym słowem użytym przez Ja-
nek protonu +e. Na początku myślano o kwarkach tylko
mesa Joyce a w Finnegan s Wake ( Three quarks for
jako o użytecznym modelu matematycznym, przydat-
nym do księgowania cząstek, ale niewnoszącym fizycznej
Muster Mark! ).
treści.
Przypuszczenie to było ryzykowne, ponieważ hi-
potetyczne kwarki miały inne własności niż wszyst-
kie znane wcześniej cząstki. Uznano, że kwarki ist- W stanfordzkim eksperymencie z 1968 r. fizycy
nieją w trzech odmianach, nazwanych  zapachami : rozpraszali elektrony na protonach i zaobserwowali, że
górnym (u), dolnym (d) i dziwnym (s). Tak jak inne mała, ale znacząca ich część zupełnie zmieniała kieru-
cząstki, kwarki miały masę i spin, ale w przeciwień- nek ruchu. Dowodziło to, że protony  a przez analo-
stwie do wszystkich innych miały ułamkowy ładu- gię także inne hadrony  mają wewnętrzną strukturę.
nek elektryczny  kwark górny +2/3, kwarki dolny Dalsze badania wykazały, że składniki protonu mają
i dziwny -1/3 (w jednostkach ładunku elementar- ułamkowe ładunki.
nego e). Istotą pomysłu Zweiga i Gell-Manna było
Te odkrycia stanowią ważną granicę. Wcześniej
to, że hadrony są stanami związanymi trzech kwar-
wielu fizyków (w tym Gell-Mann) uważało, że kwarki
ków, podobnie jak atom wodoru można uważać za
są tylko modelem matematycznym, pozwalającym
stan związany protonu i elektronu. Na przykład, pro-
uporządkować świat hadronów. Od tego momentu
ton miał się składać z dwóch kwarków u oraz jed-
wszystko zaczęło jednak wskazywać, że kwarki być
nego d (rys. 3), co dałoby całkowity ładunek elek-
może rzeczywiście istnieją. W końcu, w roku 1974,
tryczny 2/3 + 2/3 - 1/3 = 1. Podobnie, neutron skła-
wiadomość o odkryciu nowej cząstki przekonała nawet
dałby się z dwóch kwarków d oraz jednego u, co da-
najbardziej opornych. Ta nowa cząstka, mezon, była
łoby ładunek -1/3 - 1/3 + 2/3 = 0. Ułamkowy ła-
zbudowana z czwartego zapachu kwarkowego, nazwa-
dunek był szalonym pomysłem, ale chyba najbardziej
nego powabnym (c). Potem dodano do menu jeszcze
niepokojącym aspektem tej teorii było to, że nigdy nie
dwa inne zapachy: piękno (b) w 1976 r. i prawdę (t)
zaobserwowano samych kwarków  fakt, którego ani
w roku 1995. Każdy z tych sześciu kwarków ma od-
Gell-Mann, ani Zweig nie wyjaśnili.
powiadającego mu  antykwarka , co zwiększa liczbę
rodzajów tych cząstek do dwunastu (rys. 4).
Mimo to model kwarkowy uzyskiwał coraz szerszą
akceptację. Potężny impuls przyszedł cztery lata póz
- Chociaż hipoteza kwarków odniosła błyskotliwy
niej, gdy badacze w Stanford Linear Accelerator Cen- sukces, pozostało kilka niepokojących wątpliwości.
22 POST
PY FIZYKI TOM 56 ZESZYT 1 ROK 2005
A.R. Dzierba, C.A. Meyer, E.S. Swanson  Na tropie egzotycznych hadronów
Po pierwsze, nigdy nie zaobserwowano odosobnionego kolory muszą zawsze występować w grupach, tak by
kwarka. Bardziej dokuczliwym problemem było to, że tworzyć obiekty niekolorowe. Protony, neutrony i inne
wyznaczone własności barionu nazwanego "++ wy- bariony są kombinacjami trzech kwarków o różnych ko-
dawały się sprzeczne z jednym z ogólnych twierdzeń lorach (czerwonym, zielonym i niebieskim), które two-
kwantowej teorii pola, które mówi, że kwantowe funk- rzą niekolorową kombinację, podobnie jak kombinacja
cje falowe opisujące hadrony muszą być antysyme- barw trzech luminoforów na ekranie telewizora może
tryczne, jeżeli cząstki składowe są identyczne. Wia- dawać plamkę bezbarwną (rys. 5). Piony, kaony i inne
domo było, że cząstka "++ składa się z trzech iden- mezony są utworzone z kwarka o określonym kolorze
tycznych kwarków u, ale obserwowane własności wska- i  antykolorowego względem niego antykwarka.
zywały na symetryczną funkcję falową.
Rys. 4. Zbiór fundamentalnych klocków, z których zbu-
dowana jest materia, ostatecznie został rozszerzony do
6 rodzajów kwarków (i niepokazanych powyżej odpo-
wiadających im 6 antykwarków) oraz 6 lżejszych cząstek
Rys. 5. Kwarkom zaczęto przypisywać  ładunek kolo-
(i 6 ich antycząstek) nazwanych leptonami. Te ostatnie
rowy na początku lat 70., mimo że kolor nigdy nie został
nie oddziałują silnie.
zaobserwowany  kwarki zawsze zbierają się w grupy,
tworząc obiekty niekolorowe, jak kwarki 3 różnych kolo-
rów w protonie: dwa różnokolorowe kwarki u oraz jeden
Teoretycy chwytali się najdziwniejszych sposobów
kwark d (u góry). W przypadku mezonów składających
rozwiązania tej łamigłówki. Oskar Greenberg z Uni- się z pary kwark antykwark kolor i antykolor muszą two-
rzyć odpowiedną parę, np. kwarki u oraz 
w pionie mu-
wersytetu Marylandzkiego przedstawił jedno z bardziej
szą mieć przeciwne kolory (u dołu).
pomysłowych rozwiązań: zaproponował, żeby przypi-
sać kwarkom nowy rodzaj ładunku, który pozwala
Chromodynamika kwantowa
na utworzenie antysymetrycznej funkcji falowej. Ma-
tematyczna sztuczka Greenberga w gruncie rzeczy ob- Uwięzienie koloru okazało się ważną ideą, ponie-
chodziła problem przez stwierdzenie, że pełna funk- waż w ostatecznym rozrachunku pokazało, w jaki spo-
cja falowa barionu "++ jest jednak antysymetryczna, sób kwarki łączą się w hadrony. Mechanizm ten jest po-
tylko dotychczas nie brano pod uwagę pewnej jej czę- dobny do kulombowskiego przyciągania protonu i elek-
ści. Gell-Mann nazwał nową cechę cząstek k o l o r e m, tronu, które opisujemy jako wymianę fotonów (cząstek,
choć nie ma ona nic wspólnego z normalnym znacze- które nie mają masy ani ładunku, ale mają energię
niem tego słowa. Przewidywano, że taki  ładunek ko- i spin). Z tego powodu fotony są nazywane nośnikami
lorowy ma trzy odmiany, często nazywane czerwoną, oddziaływań elektromagnetycznych. Co więcej, teore-
zieloną i niebieską. tycy od dziesiątków lat wiedzą, że samo istnienie elek-
Ale w doświadczeniach nigdy nie zaobserwowano tronów i protonów (a dokładniej ich ładunków) wy-
koloru. Wyglądało więc na to, że jeden problem (syme- starcza do stwierdzenia istnienia fotonów i określenia
tria cząstki "++) został po prostu zastąpiony innym ich własności. Ta magiczna sztuka jest wynikiem ma-
(brakiem obserwacji koloru). Niemniej pomysł Green- tematycznej procedury zwanej c e c h o w a n i e m.
berga przyniósł pewną korzyść: niemożność zaobserwo- Teoria cechowania pochodzi z prac Hermanna
wania pojedynczych kwarków i niemożność zaobserwo- Weyla z 1918 r. Starał się on połączyć grawitację i elek-
wania koloru zostały połączone w  hipotezę uwięzienia tromagnetyzm w jedną teorię przez żądanie, aby wy-
koloru , która głosi, że kolor istnieje jedynie ukryty niki fizyczne nie zależały od lokalnego skalowania (czyli
wewnątrz hadronów i nigdy nie może się pojawić, żeby cechowania) czasoprzestrzeni. Choć jego teoria oka-
oddziaływać z jakimkolwiek detektorem. Przeciwnie  zała się błędna, idea warunku lokalnej niezmienniczości
POST
PY FIZYKI TOM 56 ZESZYT 1 ROK 2005 23
A.R. Dzierba, C.A. Meyer, E.S. Swanson  Na tropie egzotycznych hadronów
przetrwała. Pierwszy sukces cechowanie odniosło w la- odległości między ładunkami. Dla kwarków łączenie
tach 40., kiedy zostało zastosowane do kwantowej teo- się linii pola chromomagnetycznego w cienką wiązkę
rii elektromagnetyzmu, zwanej elektrodynamiką kwan- daje zupełnie inny efekt  siła zachowuje stałą, nieza-
tową (QED). Idea ta została rozszerzona w latach 60. leżną od odległości wartość (zwaną napięciem struny),
na zunifikowane oddziaływania elektromagnetyczne tak jakby wiązka linii była sprężystą taśmą, ściąga-
i słabe i stanowi podstawę współczesnego rozumienia jącą kwarki zawsze tą samą siłą, niezależnie od tego,
zarówno oddziaływań elektrosłabych, jak i silnych oraz jak bardzo jest rozciągnięta (rys. 6).
cząstek im podlegających  podstawę pełnej teorii bu-
dowy materii, zwanej Modelem Standardowym.
Cząstki przenoszące oddziaływania, analogiczne
do fotonów, musiały zapewne istnieć również dla
kwarków  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 znalez
li odpowiedz
na to pytanie
w 1972 r. po przeprowadzeniu procedury cechowania
dla oddziaływań silnych. Nazwali otrzymaną teorię
c 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 oddziaływań
wiążących kwarki. Gluony są podobne do fotonów pod
tym względem, że nie mają masy, a mają spin. Różni je
jednak kluczowa cecha: gluony mają ładunek kolorowy,
podczas gdy fotony nie mają ładunku elektrycznego.
Rys. 6. Linie pola elektrycznego między dwiema prze-
ciwnie naładowanymi cząstkami szeroko się rozbiegają,
Wskutek tego gluony  w przeciwieństwie do fotonów
co prowadzi do własności charakterystycznej dla elek-
 mogą bezpośrednio oddziaływać ze sobą.
trostatycznej siły Coulomba i dla siły grawitacyjnej: ich
QCD można więc traktować jak przepis na cia-
wielkość maleje jak kwadrat odległości między cząstkami
steczka. Kwarki i gluony stanowią składniki, kwantowa
(u góry). Inaczej jest w przypadku linii pola chromoma-
teoria pola podaje sposób przyrządzenia, a powstające gnetycznego między dwoma kwarkami  linie te tworzą
zwartą wiązkę, co prowadzi do stałej (niezależnej od od-
smakołyki to hadrony. Co ciekawe, QCD wskazuje, że
ległości) siły (u dołu).
struktura próżni, w której znajdują się cząstki, również
ma duże znaczenie. Jeżeli wyobrażamy sobie próżnię
jako całkowitą pustkę, to ostatnie stwierdzenie musi
Napięcie struny między kwarkiem a antykwarkiem
budzić zdziwienie. Ale na poziomie kwantowym próż- odpowiada bardzo dużej sile wiążącej, równoważnej
nia nie jest naprawdę pusta. W rzeczywistości jest pie- ciężarowi ciała o masie 16 ton. Mimo to można by po-
kielną zupą, godną szekspirowskich czarownic Hekate,
myśleć, że taką siłę da się pokonać i rozdzielić obie
zupą, w której wirtualne cząstki pojawiają się i zni- cząstki. Okazuje się jednak, że nawet nieznaczne ich
kają tak szybko, że zasady zachowania nie są pogwał- odciągnięcie (na odległość rzędu promienia protonu)
cone. Cała ta wirtualna aktywność ma dramatyczny
wpompowuje w układ energię wystarczającą do roze-
wpływ na siłę oddziaływania między kwarkami. Przy- rwania wiązki linii pola między kwarkami i utworzenia
pomnijmy, że oddziaływanie to powstaje na skutek wy- dwóch nowych cząstek  kwarka i antykwarka, które
miany gluonów i że muszą się one przedzierać przez
są przyłączone do nowo utworzonych wolnych końców
próżnię. Wyobraz
my sobie, że gluonom najłatwiej jest
wiązek linii pola (rys. 7). W wyniku takiego procesu
podążać przetartym szlakiem. Skutkiem byłoby zloka- w miejsce jednej niekolorowej cząstki początkowej po-
lizowanie gluonów na wąskiej ścieżce między kwarkami.
wstają dwie cząstki niekolorowe. W tym sensie kolor
Teoretycy zajmujący się na co dzień QCD wolą nigdy nie wydostaje się na wolność.
inną analogię, opartą na idei elektrycznych i magne- Zatem to szczególny charakter próżni w QCD po-
tycznych linii pola, rozbiegających się i tworzących woduje uwięzienie koloru. Skomplikowana struktura
wzór znany wszystkim uczniom, którzy rozsypywali próżni pozwala również wyjaśnić zaskakujące warto-
opiłki żelaza nad magnesem (rys. 6). W przypadku ści mas hadronów. Fizycy są przekonani, że kwarki
QCD struktura próżni powoduje przyciąganie się li- są o wiele za lekkie, aby ich masy mogły dać w su-
nii tzw. pola chromomagnetycznego w taki sposób, że mie masy utworzonych z nich cząstek. Wydaje się
tworzą one cienką wiązkę. więc, że prosty opis hadronów jako połączenia dwóch
W przypadku pola elektrycznego rozbieganie się lub trzech kwarków jest zbyt naiwny. Jednakże kwan-
linii pola prowadzi do znanej siły kulombowskiej, któ- towa teoria pola dopuszcza fluktuacje liczby i rodza-
rej wartość jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu jów cząstek, z których składa się hadron. Takie fluk-
24 POST
PY FIZYKI TOM 56 ZESZYT 1 ROK 2005
A.R. Dzierba, C.A. Meyer, E.S. Swanson  Na tropie egzotycznych hadronów
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 gluonów
mogłoby się połączyć w neutralne kolorowo hadrony
złożone 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 ich
odpowiednikiem byłoby zbicie się fotonów w  atom
zbudowany z samego światła. Ted Barnes, doktorant
w Caltechu, rozwinął ten pomysł w 1977 r., gdy zauwa-
Rys. 7. Próby rozdzielenia dwóch kwarków tworzących
żył, że gluony mogłyby również wiązać się z kwarkami
typowy mezon nieuchronnie kończą się niepowodzeniem,
i antykwarkami, tworząc mezony hybrydowe. Te hy-
ponieważ energia dostarczona w celu rozdzielenia tej
brydy i kule gluonowe noszą wspólną nazwę c z ą s t e k
pary zostaje zamieniona w nowy kwark i nowy anty-
e g z o t y c z n y c h (ang. QCD exotics).
kwark; powstałe cząstki przyłączają się do swobodnych
końców rozerwanej wiązki linii pola.
Na tropie nowych cząstek
tuacje mają postać dodatkowych gluonów lub wirtu-
Czego potrzeba, żeby odkryć cząstkę egzotyczną?
alnych par kwark antykwark, które, jak wierzą teo-
Przede wszystkim, teoretycy muszą mieć jakieś wy-
retycy, dają nadwyżkę (ok. 98%) masy potrzebną do
obrażenie o jej własnościach  masie, czasie życia, ka-
zbudowania typowego hadronu (rys. 8).
nałach rozpadu (czyli sposobach, w jakie może ona
zniknąć, wytwarzając na swoje miejsce lżejsze, długo
żyjące cząstki). Poza tym badacze muszą znać wartości
trzech ważnych liczb kwantowych, które opisują poszu-
kiwaną cząstkę. Pierwsza z nich (J) oznacza całkowity
spin, druga (P ) odnosi się do parzystości, a trzecia (C)
 do sprzężenia ładunkowego.
Liczba kwantowa J jest częściowo zdetermino-
wana przez ustawienie spinów kwarków, z których
składa się szukana cząstka. W przypadku mezonów
dwukwarkowych suma spinów obu składników może
przyjąć 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 może
przyjmować 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 cząstki
i antycząstki (sprzężenie ładunkowe). Jeżeli kwan-
towa funkcja falowa nie zmienia się w czasie takiej
Rys. 8. Jak dziś uważamy, proton zawiera dużo więcej operacji, to cząstkę nazywamy symetryczną i przypi-
składników niż tylko trzy kwarki walencyjne, składające
sujemy jej odpowiednią  liczbę kwantową o znaku
się na jego ładunek elektryczny +e. Kwarki te wnoszą
plus; w przeciwnym przypadku cząstka jest antysyme-
jedynie ok. 2% masy protonu. Reszta pochodzi z  mo-
tryczna i przypisany jest jej minus.
rza wirtualnych kwarków i kul gluonowych. Nawet na
Podstawowe zasady mechaniki kwantowej mówią,
zewnątrz protonu wirtualne cząstki  kule gluonowe, me-
zony i pary barion antybarion  pojawiają się i znikają,
że mezony mogą mieć tylko szczególne kombinacje war-
tworząc zatłoczoną próżnię opisywaną przez chromody-
tości J, P oraz C, które stanowią identyfikator cząstki,
namikę kwantową.
zazwyczaj zapisywany w postaci JP C. Ale chromo-
dynamika kwantowa przewiduje, że sytuacja jest bar-
Gluony zatem pomagają uzasadnić wartości mas dziej skomplikowana. Przypomnijmy, że mezon wy-
hadronów. Ale czy są one zawsze we wnętrzu tych czą- obrażamy sobie jako dwa kwarki utrzymywane razem
stek, czy mogą też uciec i podróżować przez przestrzeń, przez wiązkę linii pola, która działa jak sprężysta ta-
jak fotony, ich kuzyni-lekkoduchy? Fotony z całą pew- śma. Gdyby ktoś mógł przytrzymać te dwa kwarki
POST
PY FIZYKI TOM 56 ZESZYT 1 ROK 2005 25
A.R. Dzierba, C.A. Meyer, E.S. Swanson  Na tropie egzotycznych hadronów
i szarpnąć taśmę między nimi, zaczęłaby ona drgać zony. Dlatego od ponad 30 lat modne są elektroniczne
jak struna gitary. I podobnie jak w przypadku szarp- komory drutowe, zbudowane ze zbiornika gazu poprze-
nięcia takiej struny, pole między kwarkami może zostać cinanego krzyżującymi się drutami pod dużym na-
wzbudzone na wiele różnych sposobów  każdy odpo- pięciem. Przejście naładowanej cząstki jonizuje gaz
wiadałby innemu rodzajowi mezonu hybrydowego. wzdłuż jej toru, łącząc elektrycznie niektóre druty.
Jeżeli na przykład spiny kwarków są równole- Miejsca, gdzie obwody zostały chwilowo zwarte, po-
głe, a ruch wiązki pola odpowiada pierwszemu sta- kazują tor cząstki. Inny rodzaj elektronicznego detek-
nowi wzbudzonemu (odpowiednik podstawowej czę- tora, zwany kalorymetrem, mierzy jej energię. Oba
stości drgań gitary), to JP C może np. wynosić 0+- urządzenia umieszczone razem w polu magnetycznym
lub 1-+; są to wartości niemożliwe dla stanu złożo- nazywa się spektrometrem. Współczesne spektrometry
nego z tylko dwóch kwarków. Takie kombinacje jed- mogą wykonywać miliony pomiarów przechodzących
noznacznie odpowiadają zatem nowym rodzajom czą- przez nie cząstek i dlatego są tak cenne przy poszuki-
stek  mezonom hybrydowym. Podczas gdy własności waniu nowych mezonów. Niestety, ich czułość  w prze-
normalnego mezonu można wyjaśnić przez spiny oraz ciwieństwie do czułości komór pęcherzykowych  nie
momenty pędu kwarka i antykwarka, w przypadku me- jest taka sama dla wszystkich kierunków ruchu cząstek.
zonu hybrydowego są one również związane ze wzbu-
dzoną wiązką pola. Co więcej, wzbudzone wiązki są
wystarczająco mocne, aby utworzyć mezon bez żad-
nych kwarków. Takie samotne wiązki pola, zwinięte
w zamknięte pierścienie, są kulami gluonowymi, zbu-
dowanymi wyłącznie z tego, co zazwyczaj odpowiada
jedynie za spoistość materii.
Czy takie ciekawe cząstki mogą istnieć? Tak, ale
niezbyt długo. Olbrzymia większość mezonów pro-
dukowanych w zderzeniach cząstek rozpada się pra-
wie natychmiast po utworzeniu, wytrzymując jedynie
ok. 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 przypadków
wyraz
nymi znakami są inne mezony o dużo mniejszych
masach 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 manewr
obniża temperaturę wrzenia, ale wodór nie zamienia
się natychmiast w parę. Przez chwilę pozostaje nie-
stabilną,  przegrzaną cieczą. Ponieważ przelatująca
cząstka naładowana oddaje energię, przegrzany wodór
zaczyna wrzeć wzdłuż jej toru, zaznaczając go tym sa-
Rys. 9. Zakrzywiające się linie na tym zdjęciu z ko-
mym niewielkimi bąbelkami. Jeżeli komora znajduje
mory pęcherzykowej pokazują tory  a przez to rodzaje
się w polu magnetycznym, to naładowana cząstka jest
 różnych subatomowych cząstek powstających w ak-
odciągana w bok, a widoczne na fotografii zakrzywie- celeratorze. Dokładne zbadanie tych śladów (tutaj robi
to Renee Jones z Fermilabu w ramach doświadczenia
nie toru jest miarą jej pędu (rys. 9). Prześledzenie kie-
z 1984 r.) pokazuje własności niezostawiających śladów
runków ruchu wszystkich produktów rozpadu  zazwy-
obiektów, które  rozpadając się  są z
ródłami takich
czaj mezonów o znanych masach  pozwala odtworzyć
strumieni cząstek. Jak większość współczesnych bada-
własności (masę i JP C) efemerycznej cząstki, z której
czy, autorzy niniejszego artykułu zamiast komór pęche-
te produkty powstały. rzykowych wykorzystują detektory elektroniczne, unika-
jąc dzięki temu tego pracochłonnego etapu polowania na
Zaletą komór pęcherzykowych jest to, że dostar-
szczególne przypadki cząstek egzotycznych, czyli takich,
czają one dosyć pełnego i niezniekształconego obrazu
które są utworzone (w całości lub części) z obiektów za-
eksperymentu. Niestety, przeglądanie zdjęć tysięcy pę-
zwyczaj odpowiedzialnych tylko za oddziaływanie wią-
cherzykowych śladów wymaga mrówczej pracy i w ten
żące materię (fot. David Parker, Science Source/Photo
sposób można odkryć tylko najczęściej spotykane me- Researchers, Inc.).
26 POST
PY FIZYKI TOM 56 ZESZYT 1 ROK 2005
A.R. Dzierba, C.A. Meyer, E.S. Swanson  Na tropie egzotycznych hadronów
Żeby uwzględnić ten fakt, fizycy używają me- z Rutherford Appleton Laboratory w Anglii opubliko-
tody Monte Carlo, która polega na tym, że kompu- wali pierwszy artykuł, w którym twierdzili, że cząstka
ter symuluje wielką liczbę przypadkowych zderzeń czą- ta jest w gruncie rzeczy kulą gluonową. Jeszcze w tym
stek, od których żądamy jedynie zachowania energii samym roku Donald Weingarten, teoretyk z IBM Wat-
i pędu. Program oblicza wtedy reakcję detektora na son Research Center w Nowym Jorku, argumento-
taką sztuczną inwazję. Z powodów konstrukcyjnych we wał jednak, że f0(1500) jest zwykłym mezonem: nie-
współczesnych detektorach nie wszystkie tory cząstek uchwytna kula gluonowa według jego ocen powinna
można zarejestrować jednocześnie. Wiedząc jednak, co być cięższa. Wysunął za to sugestię, że kulą gluonową
nie zostało wykryte w czasie symulowanego zdarzenia, może z powodzeniem być f0(1710)  ciekawa cząstka,
można poprawić wyniki otrzymywane w prawdziwym znana już wtedy od ponad 10 lat. Wielu fizyków sądzi
doświadczeniu. Gdy szuka się mezonów egzotycznych, obecnie, że obie te cząstki są kwantowymi superpozy-
ten krok musi być wykonany starannie, ponieważ przy- cjami kuli gluonowej i dwóch mezonów.
pisanie JP C opiera się na znajomości kierunków ruchu
Eksperyment Crystal Barrel działał aż do roku
wszystkich produktów rozpadu. Gdyby korekta znie- 1996, gdy pierścień niskoenergetycznych protonów
kształceń pomiaru została wykonana niewłaściwie, sy- w CERN-ie został wyłączony. Doświadczenie w Gene-
gnał egzotycznego JP C mógłby się pojawić tam, gdzie
wie nie było jednak jedyną próbą upolowania cząstki
egzotycznej cząstki wcale nie było.
egzotycznej. W połowie lat 80. Jurij D. Prokosz-
kin z grupą rosyjskich kolegów twierdzili, że odkryli
nową cząstkę rozpadającą się na cztery fotony  by-
Poszukiwania na całym świecie
łoby to pierwsze wykrycie egzotycznej hybrydy. Detek-
Pierwszy poważny program poszukiwania kul
tory, które ustawili w CERN-ie oraz Instytucie Wiel-
gluonowych zainicjował Claude Amsler z CERN-u.
kich Energii w Protwinie ( miasteczku naukowym
W roku 1985 przekonał on grupę swoich kolegów do bu- pod Moskwą, zbudowanym wokół akceleratora czą-
dowy detektora nazwanego  Crystal Barrel (Krysz- stek) składały się z bloków szkła ołowiowego służących
tałowa Beczka)  cylindra wypełnionego krystalicz- do pomiarów energii fotonów powstających w rozpa-
nymi kalorymetrami  i dołączenia go do obsługiwa- dach mezonów. Rosyjscy badacze nie próbowali wy-
nego przez nich pierścienia z niskoenergetycznymi an- kryć cząstek naładowanych, obserwowali jedynie fo-
typrotonami (rys. 10). Eksperyment polegał na dopro- tony, niemniej wykazali, że potrafią tą metodą iden-
wadzaniu do zderzeń antyprotonów z protonami i szu- tyfikować dobrze poznane mezony. Pomimo to ich ra-
kaniu kul gluonowych, które, jak przewidywali niektó- porty o wykryciu mezonów egzotycznych spotkały się
rzy teoretycy, mogłyby w takim procesie powstawać.
ze sceptycyzmem z powodu niespójności w skompliko-
Detektor został uruchomiony w grudniu 1989 r. wanej analizie danych.
W pierwszej serii pomiarów odkryto cząstkę, która
We wczesnych latach 90. jeden z nas (Dzierba)
rozpadała się na dwa neutralne piony  podobnej
nawiązał współpracę z Suh Urk Chungiem z Brookha-
cząstki nie zaobserwowano nigdy wcześniej. Do kwiet- ven National Laboratory, aby sprawdzić wyniki Ro-
nia 1990 r. detektor Crystal Barrel zarejestrował
sjan. Zaczęliśmy tworzyć grupę, której celem było ulep-
35 tys. takich zdarzeń  gigantyczny zbiór pomiarów!
szenie detektora cząstek naładowanych w Brookhaven,
Grupa pod kierunkiem Eberharda Klempta, pod- zwanego spektrometrem wielocząstkowym  wielkiego
ówczas z Uniwersytetu Mogunckiego, zajęła się analizą magnesu z przyłączonymi komorami drutowymi. Nato-
tej reakcji. W lipcu 1990 r. fizycy ze współpracy Cry- miast członkowie grupy Dzierby w Indiana University
stal Barrel zaczęli ostrożnie przedstawiać swoje wyniki, połączyli siły z inną grupą z Protwina, kierowaną przez
które interpretowali jako obserwację nowego mezonu Siergieja P. Denisowa, aby zbudować detektor fotonów
o spinie 2. Dwa lata póz
niej David Bugg z Queen Mary zawierający 3000 bloków szkła ołowiowego.
and Westfield College i Peter Blum z Uniwersytetu
Jeżeli grupa Prokoszkina rzeczywiście odkryła
w Karlsruhe (obaj uczestniczący w tym eksperymen- cząstkę egzotyczną, to cząstka ta powinna być wi-
cie) niezależnie przejrzeli jeszcze raz wyniki i doszli do
doczna zarówno w śladach naładowanych cząstek po-
wniosku, że lepiej by je tłumaczyły dwie nowe cząstki
chodzących z rozpadów, jak i przez obserwacje powsta-
o spinie 0. W roku 1994, po przestudiowaniu znacznie
jących fotonów. Eksperymenty w Brookhaven, wyko-
większego zbioru danych, badacze ze współpracy Cry- rzystujące spektrometr wielocząstkowy i 11 ton szkła
stal Barrel doszli do wniosku, że prawdziwa jest kombi- ołowiowego, powinny być czułe na oba rodzaje sygna-
nacja obu rozwiązań. Najbardziej ekscytującą cząstką
łów. Pierwszy test odbył się w 1993 r., dwie serie da-
była jedna z tych o zerowym spinie, nazwana f0(1500)
nych zebrano w latach 1994 i 1995. Nasze pierwsze
zgodnie z konwencją, według której nazwa zawiera spin
próby znalezienia wyraz
nych rozpadów czterofotono-
i masę (1500 MeV/c2, ponad półtorej masy protonu).
wych nie powiodły się, ale taki wynik nie był specjal-
Z upływem następnego roku, gdy dodawano wy- nym zaskoczeniem: do tego czasu większość fizyków
niki kolejnych pomiarów, stawało się coraz bardziej cząstek straciła zaufanie do pierwotnego odkrycia, po-
oczywiste, że f0(1500) prawdopodobnie nie jest zwy- nieważ powtórna analiza rosyjskich pomiarów podwa-
kłym mezonem. W roku 1995 Amsler i Frank Close żyła początkową interpretację. Inne raporty na temat
POST
PY FIZYKI TOM 56 ZESZYT 1 ROK 2005 27
A.R. Dzierba, C.A. Meyer, E.S. Swanson  Na tropie egzotycznych hadronów
Rys. 10. Urządzenie Crystal Barrel zbudowane w 1989 r. w CERN-ie zawierało 1380 detektorów z jodku
cezu (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 Barrel
pochodzi z analizy reakcji produkującej trzy obojętne piony (Ą0, 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 tych
trzech pionów pochodzi z badanej cząstki. Dlatego badacze analizują wiele przypadków takich procesów i dla
każdego 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. Linie
dużej gęstości na takim  diagramie Dalitza (przerywane kreski na rys. u dołu po prawej) ujawniają krótko
żyjącą cząstkę i jej masę  w tym przypadku ok. 1500 MeV/c2. Ta cząstka, nazwana f0(1500), była przez
niektórych 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 końcu wała ten sam kanał rozpadu, ale nie zdecydowała się
również uznane za błędne identyfikacje. Przyczyną błę- na ogłoszenie odkrycia mezonu egzotycznego. Krążyły
dów było niepełne zrozumienie działania aparatury, też plotki, że również w detektorze Crystal Barrel wy-
które doprowadziło niektórych badaczy do interpreto- kryto ślady podobnej cząstki.
wania niewielkiej części rozpadów licznych zwykłych Wśród fizyków uczestniczących we współpracy
mezonów jako śladów rzadkich hybryd egzotycznych. z Brookhaven zaczęła się intensywna dyskusja. Więk-
W tym samym czasie uczestnicy współpracy szość była przekonana o odkryciu mezonu egzotycz-
z Brookhaven przeanalizowali inny możliwy kanał roz- nego i chciała natychmiast opublikować raport. Ci jed-
padu (na dwa fotony i naładowany pion), używając nak z nas, którzy pracują w Indiana University, nie
danych zebranych w 1994 r., i wysunęli hipotezę istnie- chcieli się zdecydować na takie stwierdzenie, przynaj-
nia egzotycznej hybrydy o tych samych własnościach mniej nie przed analizą wyników obu serii pomiarów.
(masie i JP C), co w oryginalnych wynikach Rosjan. Niemniej większość zdecydowała o szybkim ogłoszeniu
Ponadto jeszcze jedna grupa z Protwina zaobserwo- w Physical Review Letters o odkryciu nowej cząstki
28 POST
PY FIZYKI TOM 56 ZESZYT 1 ROK 2005
A.R. Dzierba, C.A. Meyer, E.S. Swanson  Na tropie egzotycznych hadronów
hybrydowej o masie 1400 MeV/c2. Wkrótce potem liniowej, tzn. pole elektryczne ma jeden ustalony kie-
grupa z CERN-u opublikowała dane potwierdzające runek. Ta cecha ułatwia wyznaczenie JP C produko-
istnienie tej cząstki, nazwanej Ą1(1400). wanych mezonów. Warto dodać, że wiązki pionów za-
Te kontrowersje wytworzyły nieprzyjemne napię- zwyczaj wykorzystywane do wytwarzania nowych me-
cia między współpracującymi zespołami, lecz nieba- zonów nie mogą być spolaryzowane.
wem wszyscy razem obwieścili odkrycie jeszcze jednej
Fotony wyprodukuje tylko część elektronów, lecz
cząstki egzotycznej, z zupełnie innym kanałem rozpadu
wszystkie zostaną odchylone w stronę otaczającego
i większą masą. Analiza tej cząstki, nazwanej �(1600),
gruntu (rys. 11). Tylko fotony  ok. 50 milionów w każ-
nie obejmowała problemów mogących poprzednio spo- dej sekundzie  osiągną tarczę. Detektor będzie się
wodować fałszywą identyfikację lżejszej hybrydy, a jej
składał z wielkootworowego magnesu nadprzewodni-
odkrycie zostało wkrótce potwierdzone w niezależnym
kowego z wewnętrznymi komorami drutowymi i kalo-
eksperymencie. Niemniej problemem pozostaje fakt, że
rymetrami oraz masywnego kalorymetru ze szkła oło-
oba znalezione mezony mają masy mniejsze niż wska- wiowego na jednym końcu. Aby obniżyć koszty, wy-
zywana przez niektórych teoretyków najmniejsza moż- korzystamy istniejącą już aparaturę. Magnes nadprze-
liwa masa cząstek egzotycznych (1900 MeV/c2). Co
wodnikowy, wart ok. 12 milionów dolarów amerykań-
więcej, w obu przypadkach kanały rozpadu nie były
skich, zbudowano 30 lat temu na potrzeby ekspery-
takie, jakich teoretycy wcześniej się spodziewali.
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-
Dziewicze tereny
ziony do Jefferson Lab, gdzie będzie wykorzystany w
Wszyscy trzej współpracujemy z innymi ekspery- naszym eksperymencie. Kalorymetr ze szkła ołowio-
mentatorami i teoretykami (razem ok. 80 osób z 25 in- wego będzie przewieziony z Brookhaven, gdzie został
stytucji w 7 krajach) nad wykorzystaniem wiązki foto- zbudowany za 3 miliony dolarów. Jeśli wszystko prze-
nów do wytwarzania mezonów egzotycznych. Dlaczego biegnie zgodnie z planem, to pierwsze pomiary cząstek
właśnie fotonów? Przede wszystkim niewiele wiadomo egzotycznych zostaną wykonane około roku 2008. Po-
o mezonach, które mogą powstawać z wysokoenerge- mimo oszczędności związanych z użyciem już istnie-
tycznych fotonów. Co jednak ważniejsze, QCD wska- jącego sprzętu całkowity koszt eksperymentu wyniesie
zuje, że wiązki fotonów powinny się idealnie nadawać jednak ok. 30 milionów dolarów.
do produkcji cząstek egzotycznych: kwantowo rzecz
Jak widać, skala przedsięwzięcia jest olbrzymia.
biorąc, foton z dużym prawdopodobieństwem może za-
Ale nasz eksperyment nie jest jedynym, który jest
chowywać się przez krótki czas jak para kwark anty-
w przygotowaniu. Nowe badania są albo planowane,
kwark o równoległych spinach. Nathan Isgur (podów-
albo już prowadzone w Genewie, Nowosybirsku i Pe-
czas na Uniwersytecie w Toronto) i Jack Paton (z Uni-
kinie. Zupełnie nowe laboratorium mające prowadzić
wersytetu w Oksfordzie) wysunęli przypuszczenie, że
tego rodzaju badania jest projektowane w Japonii.
pole między tą parą może zostać wzbudzone (struna
Oczekujemy, że w ciągu najbliższych 10 lat zostanie
 szarpnięta) w czasie zderzenia z nieruchomą tarczą.
odkryty i szczegółowo zbadany bogaty zbiór egzotycz-
W takim procesie powinny łatwo tworzyć się cząstki
nych hadronów. Dopiero wtedy fizycy cząstek będą
o egzotycznych wartościach JP C  takie wartości by-
mogli twierdzić, że naprawdę zrozumieli, jak są zbu-
łyby niezbitym dowodem na znalezienie mezonów hy-
dowane kule gluonowe i hybrydy, jak rozpadają się ha-
brydowych.
drony, jak oddziałują i skąd bierze się ich masa. I co
Eksperyment ten będziemy prowadzić w Tho- najważniejsze, dopiero wtedy będziemy mogli powie-
mas Jefferson National Accelerator Facility w New- dzieć, że naprawdę rozumiemy Model Standardowy.
port News w Wirginii (USA), gdzie obecnie działa
wielki akcelerator elektronów. Po pewnych modyfika-
cjach wysokoenergetyczne elektrony z tego urządze-
Uzupełnienie
nia można byłoby wykorzystać do wytwarzania od-
(Alex R. Dzierba, grudzień 2004)
powiednich wiązek fotonów. Trik polegałby na prze-
puszczeniu pędzących elektronów przez cienką płytkę 11 listopada 2003 r. Spencer Abraham, amery-
syntetycznego diamentu. Elektrony będą wylatywały kański sekretarz ds. energii, wygłosił przemówienie
z akceleratora ok. 6 metrów pod ziemią i zderzały się w National Press Club w Waszyngtonie, przedstawia-
z diamentową tarczą. Niektóre z nich zostaną spowol- jąc plan, który w ciągu najbliższych 20 lat ma do-
nione, produkując fotony promieniowania hamowania. prowadzić do powstania w Stanach Zjednoczonych no-
Jeżeli wszystko jest odpowiednio przygotowane, to na wych wielkich urządzeń badawczych. Jednym z krót-
skutek spójnego odrzutu atomów kryształu diamentu koterminowych priorytetów tego planu jest podwojenie
może nastąpić wzmocniona emisja fotonów o pewnych energii akceleratora elektronowego CEBAF (Continu-
szczególnych wartościach energii, tzw. spójnego pro- ous Electron Beam Accelerator Facility) w Jefferson
mieniowania hamowania. Takie zjawisko daje dodat- Lab oraz budowa nowej hali pomiarowej (Hall D) i apa-
kową korzyść: powstaje wiązka fotonów o polaryzacji ratury pokazanej na rys. 11. Według owego 20-letniego
POST
PY FIZYKI TOM 56 ZESZYT 1 ROK 2005 29
A.R. Dzierba, C.A. Meyer, E.S. Swanson  Na tropie egzotycznych hadronów
Rys. 11. Eksperyment planowany przez autorów niniejszego artykułu i ich współpracowników w Jefferson
National Accelerator Facility w Newport News w Wirginii (USA) wykorzysta urządzenia z wcześniejszych
doświadczeń. 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 elektronów
wyprodukuje fotony promieniowania ł (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 powstaje
proton i krótko żyjąca cząstka a2, która rozpada się na mezony �- oraz Ą+. Pierwsza z tych cząstek rozpada
się szybko na Ą- oraz Ą0, 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 wpadną
do 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- nia jednej z wielkich tajemnic współczesnej fizyki 
sięwzięcia pozwoli naukowcom podjąć próbę zgłębie- mechanizmu wiążącego kwarki. Nowe obliczenia prze-
30 POST
PY FIZYKI TOM 56 ZESZYT 1 ROK 2005
A.R. Dzierba, C.A. Meyer, E.S. Swanson  Na tropie egzotycznych hadronów
prowadzone na superkomputerach wskazują, że mogą czych i unowocześnienie akceleratora mają zakończyć
być zań odpowiedzialne pola w postaci wiązek, któ- się w 2008 r., a pierwszych wyników można się spo-
rych wzbudzenie powinno prowadzić do wytworzenia dziewać rok lub dwa lata póz
niej.
nigdy wcześniej nieobserwowanych cząstek elementar-
Tłumaczył Marek Więckowski
nych . 19 kwietnia 2004 r. Kyle McSlarrow, zastępca
Instytut Fizyki Teoretycznej
sekretarza ds. energii, i John Warner, senator ze stanu
Uniwersytet Warszawski
Wirginia, uczestniczyli w Jefferson Lab w ceremonii
oficjalnej inauguracji przedsięwzięcia.
Współpraca przy eksperymencie obejmuje ponad
Lektura uzupełniająca
100 fizyków z 25 instytucji w 6 krajach, w tym w Pol-
F.E. Close, The Cosmic Onion (American Institute of
sce (Robert Kamiński i Leonard Leśniak z Insty-
Physics Press, New York 1983); F. Close, Kosmiczna ce-
tutu Fizyki Jądrowej PAN im. Henryka Niewodni-
bula: kwarki i Wszechświat (PWN, Warszawa 1988).
czańskiego w Krakowie  red.). Prowadzą oni pro-
F. Close, M. Martin, C. Sutton, The Particle Explosion
gram wstępnych badań, którego celem jest optyma- (Oxford University Press, Oxford 1987).
lizacja konstrukcji detektora, przygotowanie oprogra- F.E. Close, P.R. Page,  Glueballs , Scientific American,
November 1998, s. 80.
mowania analizy danych oraz rozwinięcie teorii bada-
C. Amsler,  Proton-antiproton annihilation and meson
nych zjawisk. Eksperyment i cała współpraca przy-
spectroscopy with the Crystal Barrel , Rev. Mod. Phys.
jęły nazwę GlueX (od ang. gluonic excitations expe-
70, 1293 (1998).
riment, www.gluex.org). Oficjalnym przedstawicielem
D.R. Thompson i in.,  Evidence for exotic meson pro-
współpracy jest Alex Dzierba, a Curtis Meyer jest
duction in the reaction Ą-p �Ą-p at 18 GeV/c ,
jego zastępcą. Eric Swanson jest członkiem należą-
Phys. Rev. Lett. 79, 1630 (1997).
cej do współpracy grupy teoretyków, której przewodzi
G.S. Adams i in.,  Observation of a new JP C = 1-+
Adam Szczepaniak, dyrektor Nuclear Theory Center
exotic state in the reaction Ą-p Ą+Ą-Ą-p at 18
w Indiana University. Konstrukcja urządzeń badaw- GeV/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 Indiana
University, gdzie nadal uczy i prowadzi badania.
CURTIS A. MEYER uzyskał doktorat z doświadczalnej fizyki cząstek na Uniwersytecie
Kalifornijskim 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 Fizyki
Teoretycznej MIT, w Rutherford Appleton Laboratory w Wielkiej Brytanii i North Caro-
lina State University oraz na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu w Pittsburghu.
POST
PY FIZYKI TOM 56 ZESZYT 1 ROK 2005 31