Upptäckt av nytt partikeltillstånd kan förklara gäckande gåta

Ett internationellt forskarlag, där fysiker från Uppsala universitet har en ledande roll, har i ett experiment upptäckt ett nytt partikeltillstånd vars existens hittills enbart spekulerats om. Resultatet, som publicerats i den prestigefyllda tidskriften Physical Review Letters, ger samtidigt en förklaring till den så kallade ABC-effekten som gäckat fysiker i över 50 år.

De kvarkar som betraktas som materiens fundamentala byggstenar binds samman av den starka kraften. Fria kvarkar kan bara observeras i sammansatta system, s.k. hadroner. Hittills känner man till två typer av hadroner: mesoner och baryoner. Mesonerna är kortlivade partikar som består av par av kvarkar och antikvarkar, medan baryonerna består av tre kvarkar. De mest kända baryonerna är de som utgör atomkärnas beståndsdelar; protoner och neutroner. Från teoretisk utgångspunkt finns inget som utesluter partiklar som består av andra kombinationer av kvarkar, men sådana tillstånd har hittills inte kunnat påvisas entydigt.

De mätningar som nu publicerats pekar mot ett helt nytt tillstånd (resonans) som skulle vara en partikel bestående av sex kvarkar eller ett bundet system av två exciterade baryoner. Den observerade strukturen är extremt kortlivad och kan bara observeras genom dess sönderfallsprodukter. Dess livstid är så kort som 10 upphöjt till -23 sekund, vilket motsvarar den tid som det tar för ljuset att passera en atomkärna. Upptäckten ger också en helt ny inblick i den så kallade ABC-effekten, som först observerades 1960 och fått sitt namn från dess upptäckare Abashian, Booth och Crowe. Ett oväntat högt antal neutrala mesoner med relativt likartad energi observerades då vid kollisioner mellan lätta atomkärnor. Kärnfysiker har sedan dess sökt efter en förklaring på detta fenomen.

I det nu publicerade experimentet studerades kollisioner mellan protoner och neutroner som bildar en deutron samtidigt som två neutrala mesoner bildas. Det nya är att forskarna för första gången kunde mäta alla utgående partiklar med hög precision och statistik. Det gjordes med hjälp av WASA-detektorn vid COSY-acceleratorn vid Forschungszentrum Jülich i Tyskland. Detektorn flyttades 2005 från Uppsala universitet till COSY i samband med nedläggningen av CELSIUS-ringen.

-    Våra nya data innebär att vi kan göra en detaljerad studie av den nya resonansens egenskaper. Dessa kan inte förklaras med gängse teorier vilket leder till slutsatsen att det handlar om ett nytt partikeltillstånd som sönderfaller till de observerade partiklarna, säger Tord Johansson, professor på institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet och en av deltagarna i studien.

Nya experiment planeras nu för att ytterligare undersöka den observerade strukturen.

Referens: Abashian-Booth Crowe Effect in Basic Double-Pionic-Fusio: A New Resonance? P. Adlarson et al. Physical Review Letters 106, 242302 (2011) (Issue 24, 17-June-2011)

WASA-experimenten har bland annat finansierats av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse och Vetenskapsrådet.

För mer information, kontakta professor Tord Johansson, tel: 018-471 38 86, 070-425 00 96, Tord.Johansson@physics.uu.se