Toponium: CERN arrin fotografinë e pamundur të grimcës më të efemër

Në mars të vitit 2024, eksperimenti CMS i CERN-it bëri përshtypje në botën shkencore duke vëzhguar një entitet të shmangshëm dhe ekzotik: toponiumin, një formë e përkohshme dhe ekstreme e materies. Pak më vonë, një eksperimenti tjetër i të njëjtit qendër, ATLAS, konfirmoi gjetjen.

Pse kjo zbulim ka qenë aq mbresëlënës? Çfarë e bën të veçantë toponiumin dhe pse konsiderohej e pamundur ta zbuloje?

Toponium, në detaje

Toponium nuk është një grimcë si ato që jemi mësuar të imagjinojmë. Bëhet fjalë për një rezonancë kuantike, pra, një gjendje shumë e shkurtër dhe e përkohshme që shfaqet kur ndodhin një quark “top” dhe antipartícula e tij “antitop”.

Toponium ka tre vetësi që e bëjnë atë absolutisht unik. Koha e tij mesatare e jetës është më e vogla e njohur: 2.3 x 10⁻²⁵ sekonda. Nëse e shkruajmë kështu, numri mund të mos impresionojë shumë, por nëse e shkruajmë si 0.00 … do të kishim deri në 24 zerosh pas pikës dhjetore. Pra, më shumë se të flasim për grimcë, në këtë rast është më e përshtatshme të referohemi tek toponiumi si një rezonancë.

Përveç jetës së saj shumë të shkurtër, toponiumi është jashtëzakonisht masiv, 370 herë më i rëndë se një proton. Madhësia e tij gjithashtu thyen rekorde: vlerësohet të jetë vetëm 1.5 x 10⁻¹⁷ metra, rreth 60 herë më i vogël se një proton. Kështu që flasim për objektin më të vogël të njohur (përjashtohet nga lista grimcat elementare që besohet të jenë pikësore, me dimension zero).

Pse pse besohej se ishte e pamundur të vërehej?

Për të kuptuar sfidën, duhet të flitet për kuarkun top, përbërësin bazë të toponiumit. Bëhet fjalë për kuarkin më të rëndë që dihet (184 herë më i rëndë se një proton), i zbuluar në vitin 1995 në akceleratorin Tevatron, i vendosur pranë Çikagos.

Partikat kaq të rënda sa ky kuark mund të prodhohen vetëm në akceleratorë të energjisë së lartë, si Kollideri i Madh i Hadronëve (LHC) që operon në CERN, pranë Gjenevës. Por ekzistenca e tij është e shkurtër. Koha e tij mesatare e jetës është aq e shkurtër (4.6 x 10⁻²⁵ sekonda) sa nuk i lejon të formojë gjendje të lidhura me kuarkë të tjera para se të shpërbëhet.

Megjithatë… këtu nuk përfundon historia.

Një shumë e pafund

Nëse në një kollider si LHC ndodh një çift kuarkësh top dhe antitop me shpejtësi relative mjaft të ulët, të dy kuarkët mund të ndërveprojnë, duke shkëmbyer gluone (partikla ndërmjetëse e ndërveprimit të fortë) gjatë një momenti shumë të shkurtër para shpërbërjes. Pikërisht kjo shkëmbim i jep formimin e toponiumit.

Llogaritjet teorike për toponiumin janë jashtëzakonisht komplekse. Në fizikën e grimcave, shumica e parashikimeve merren me hapa hap pas hapi, përmes llogarive me vështirësi në rritje. Në rastin e toponiumit, duhet të konsiderohet shkëmbimi i një gluoni, dy gluoneve, tre gluoneve, etj.

Por të arritur të përcaktohen pronat fizike të toponiumit si një gjendje e afërt e lidhur kërkon të mbledhë serinë e pafund të kontributeve. Kjo mund të bëhet, me disa afërsi, kur shpejtësia relative midis dy kuarkëve është e vogël. Edhe pse, llogaritjet paraqesin një sfidë të madhe.

Teoria parashikon se, nëse formohet toponiumi në LHC, do të shfaqet si një rezonancë me masë rreth dy herë më të madhe se masa e quarkut top, i cili nuk përjeton ndërveprimin e fortë. Espini i tij është zero, si bosoni i Higgs-it, por ka paritet negativ. Espini është një pronë kuantike që në mënyrë klasike do të barazohej me një grimcë që rrotullohet rreth vetes, ndërsa pariteti reflekton se si ndryshon një gjendje kuantike kur bëjmë një investim hapësinor të boshtet e koordinatave.

La ‘foto’ del toponium

Formimi i toponium shkakton efekte jashtëzakonisht të ndjeshme, të cilat për vite me radhë konsideroheshin të pamundura për t'u zbuluar në një kolizion si LHC.

Të kërkosh toponium është si të kërkosh një gjilpërë në një thes me miliona çiftë top-anti-top të prodhuara. Megjithatë, CMS dhe ATLAS kanë arritur të vëzhgojnë modele që përputhen me parashikimet teorike të këtij gjendjeje, me një siguri statistikore shumë të lartë (më shumë se 5 sigma), që në fizikë përkthehet si një “konfirmim zyrtar”. Një shembull më i qartë se si përparimi eksperimental tejkalon pritshmëritë më optimiste.

Kuriozisht, shenja e parë e ekzistencës së toponium-it arriti në mënyrë të papritur në fillim të vitit 2024, përmes matjes së ndërvarësisë kuantike midis çiftëve top-antitop. Karakteristikat e toponium-it (spin zero, paritet negativ) bëjnë që prezenca e tij të rrisë ndërvarësinë. Dhe kjo është ajo që e zbuloi eksperimenti CMS në këtë matje.

E ardhmja e toponium-it

Zbulimi i fundit i një rezonancë me vetësi të përshtatshme me toponium-in ka qenë një sukses i madh për CERN-in. Demonstron se si mendja njerëzore është në gjendje të kapërcejë të gjitha sfidat që sjell një matje kaq të fshehtë, deri vonë konsideruar e pamundur. Në të njëjtën kohë, paraqet një përparim në kuptimin tonë të natyrës dhe të ndërveprimeve të forta, në një regjistër deri tani i panjohur.

E ardhmja duket premtuese. Ashtu si ndodhi pas zbulimit të bosonit të Higgs, tani detyra është të karakterizojë vetitë e toponium-it, për të konfirmuar që spin, ngjyra, etj. përputhen me parashikimet teorike. Presim rezultate të tjera së shpejti, ndoshta sa më shpejt sa vjeshta e ardhshme.