Descoperită la CERN o rudă grea a protonului: particula Ξcc⁺ identificată cu detectorul upgradat LHCb

Sursa foto: Sciencedaily

O descoperire care duce fizica particulelor cu un pas mai departe

O echipă internațională de cercetători a anunțat identificarea unei particule subatomice până acum doar teoretizate: Ξcc⁺ (Xi-cc-plus). Descoperirea a fost realizată la Marele Colizor de Hadroni (Large Hadron Collider, LHC) de la CERN, folosind pentru prima dată datele colectate cu detectorul LHCb upgradat. Această particulă, descrisă ca o rudă grea a protonului, conține două quarcuri charm și un quarc down, reprezentând astfel o versiune mult mai masivă a structurii care alcătuiește protonul cunoscut din modelul standard al fizicii particulelor.

Ce este particula Ξcc⁺ și de ce este importantă?

Protonul, descoperit pentru prima dată la Manchester de Ernest Rutherford și colegii săi între 1917 și 1919, este alcătuit din două quarcuri up și un quarc down. Noua particulă Ξcc⁺ păstrează schema a trei quarcuri, însă înlocuiește quarcurile up cu quarcuri charm, mult mai grele. Această înlocuire conferă particulei o masă mult mai mare și oferă oamenilor de știință un laborator natural pentru a studia interacțiunile forte care leagă quarcurile între ele în condiții diferite de cele găsite într-un proton obişnuit.

Descoperirea confirmă previziuni teoretice formulate anterior și pune capăt unei dispute care a durat peste două decenii, perioadă în care au existat afirmații neconfirmate privind observarea acestei particule. Măsurarea obținută de LHCb plasează masa particulei la 3619.97 MeV/c2 și înregistrează un semnal clar de aproximativ 915 evenimente, valori care nu coincid cu unele pretenții anterioare, dar sunt în acord cu așteptările bazate pe observațiile fratelui său mai greu, Ξcc⁺⁺, descoperit anterior.

Rolul Universității din Manchester și leadership-ul britanic

Constatarea este rezultatul efortului global depus în cadrul modernizării detectorului LHCb, un proiect internațional cu participarea a peste 1.000 de cercetători din 20 de țări. Regatul Unit a contribuit mai mult decât orice altă națiune, iar Universitatea din Manchester a avut un rol de conducere semnificativ. Echipa din Manchester a proiectat și construit componente esențiale ale sistemului de urmărire upgradat, inclusiv module ale detectoarelor cu pixeli din siliciu asamblate în clădirea Schuster a universității.

Profesorul Chris Parkes, șeful Departamentului de Fizică și Astronomie al Universității din Manchester, a condus colaborarea internațională în timpul instalării și primelor faze de funcționare ale detectorului LHCb upgradat și a supravegheat implicarea Regatului Unit în proiect pe o perioadă de peste zece ani, de la aprobarea inițială până la finalizare.

Profesorul Parkes a subliniat legătura istorică dintre succesele actuale și începuturile fizicii nucleare la Manchester, afirmând că experimentul lui Rutherford dintr-un subsol al orașului a transformat înțelegerea noastră asupra materiei și că descoperirea recentă construiește pe acea moștenire, folosind tehnologie de ultimă generație la CERN. În opinia sa, realizarea evidențiază capacitatea extraordinară a detectorului LHCb upgradat și importanța contribuțiilor venite din partea Regatului Unit și a Universității din Manchester la experiment.

Tehnologia din spatele detectării: detectorul LHCb upgradat

Partea esențială a reușitei a fost detectorul de urmărire upgradat, proiectat pentru a capta cu precizie urmele produselor de dezintegrare ale particulelor generate în coliziunile proton-proton. Dr. Stefano De Capua, de la Universitatea din Manchester, a condus producția modulelor de detectoare în siliciu. El a descris detectorul ca funcționând asemenea unei camere foarte rapide: se realizează imagini ale particulelor produse la LHC cu o frecvență de aproximativ 40 de milioane de cadre pe secundă.

Aceste module se bazează pe un cip de siliciu proiectat special, care, în varianta sa, are aplicații și în imagistica medicală. Capacitatea de a înregistra un volum atât de mare de evenimente și de a urmări cu acuratețe traiectoriile produselor de dezintegrare este ceea ce a permis cercetătorilor să distingă semnalul specific dezintegrarea particulei Ξcc⁺ de fundalul complex creat în coliziunile la energie înaltă.

Componente critice dezvoltate la Manchester

Echipa de la Manchester a proiectat și asamblat module cheie pentru sistemul de urmărire, care permit identificarea precisă a vertex-urilor de dezintegrare și reconstruirea canalelor prin care particulele scad în produse mai ușoare. Aceste componente au fost fabricate și integrate în clădirea Schuster a Universității, acolo unde au fost supuse unui control strict al calității înainte de a fi trimise în experiment.

Cum a fost identificată particula Ξcc⁺

Particula a fost observată indirect, prin detectarea produselor sale de dezintegrare. În coliziunile proton-proton înregistrate în 2024, primul an în care LHCb upgradat a funcționat la capacitate maximă, cercetătorii au reperat evenimente în care particula se dezintegra în trei particule mai ușoare: Λc⁺, K⁻ și π⁺. Aceste evenimente au fost studiate în detaliu, iar analiza a evidențiat un semnal clar, numărat la aproximativ 915 evenimente, corespunzător unei mase determinate la 3619.97 MeV/c2.

• Λc⁺
• K⁻
• π⁺

Reconstrucția acestor canale de dezintegrare și măsurarea masei particulei au cerut o combinație de detecție de înaltă precizie, statistică robustă și metode analitice complexe, toate facilitate de capabilitățile extinse ale detectorului upgradat și de experiența echipei internaționale din cadrul LHCb.

Rezolvarea unei controverse de două decenii

Pentru mai mult de douăzeci de ani, au existat revendicări privind observarea acestei particule, dar acele rapoarte nu au fost confirmate ulterior. Măsurarea actuală a LHCb plasează particula la o masă care nu corespunde unor afirmații anterioare, dar ea este în concordanță cu predicțiile teoretice bazate pe particula înrudită Ξcc⁺⁺. Astfel, noua observație nu doar că oferă o măsură precisă a masei și un număr semnificativ de evenimente detectate, ci și aliniază descoperirea cu cadrul teoretic existent, înlăturând ambiguitățile care au persistat în literatură timp îndelungat.

Context istoric și continuitate la Manchester

Descoperirea face parte dintr-o tradiție îndelungată de cercetări în fizica particulelor la Universitatea din Manchester. În anii 1950, cercetători de la aceeași universitate au fost primii care au identificat un membru al familiei particulelor Ξ (Xi), creând astfel fundamentul pentru înțelegerea ulterioară a acestor stări compuse. Noua descoperire leagă, prin continuitate, o serie de realizări care au pornit încă din epoca în care experimentele lui Rutherford au deschis calea înțelegerii structurii nucleului.

Astfel, succesul actual este perceput nu doar ca o reușită tehnică, ci și ca o reafirmare a contribuției pe termen lung a unor instituții precum Universitatea din Manchester la progresul fizicii fundamentale.

Următorii pași: Upgrade 2 și perspectivele viitoare

Pe viitor, Universitatea din Manchester intenționează să joace din nou un rol de frunte în faza următoare a programului LHC, cunoscută sub numele LHCb Upgrade 2. Această etapă va valorifica acceleratorul High-Luminosity LHC pentru a acumula un volum de date mult mai mare, ceea ce va permite explorarea particulelor rare cu o rezoluție și o statistică superioară. Datele suplimentare vor ajuta la studii mai detaliate ale proprietăților particulei Ξcc⁺ și la căutarea altor stări compuse încă neobservate.

Detaliile privind descoperirea particulei Ξcc⁺ au fost prezentate la conferința Rencontres de Moriond Electroweak, unde comunitatea internațională a avut ocazia să analizeze rezultatele și implicațiile acestora pentru teoria și experimentul în fizica particulelor.

O ilustrare a progresului tehnologic și științific

Un element vizual asociat articolului arată o ilustrație artistică a particulei Ξcc⁺, creditată lui Chris Parkes, ilustrând astfel cum combinarea imaginației științifice și a instrumentelor avansate poate face vizibile entități extrem de efemere. Dincolo de imagine, realizarea concretă rămâne faptul că tehnologia detectorului, munca de echipă și analiza riguroasă a datelor au condus la o confirmare importantă pentru modelul standard și pentru înțelegerea forțelor care guvernează quarcurile.

Semnificația pentru fizica modernă

Observarea unei particule formate din două quarcuri charm și un quarc down oferă un test important pentru modelele care descriu modul în care quarcurile se leagă prin intermediul forței tari. Deoarece quarcurile charm sunt mult mai grele decât quarcurile up sau down, sistemele care includ astfel de quarcuri permit studierea regimurilor dinamice diferite față de cele ale hadronilor obișnuiți. Confirmarea experimentală a existenței particulei Ξcc⁺ și determinarea masei sale cu precizie reprezintă borne importante în validarea și rafinarea acestor modele teoretice.

Contribuțiile științifice și logistica proiectului

Proiectul de upgrade al LHCb a implicat coordonare globală, investiții tehnice și ani de muncă pentru proiectare, fabricație și testare. Rolul Universității din Manchester a fost esențial în furnizarea unor module de detectare de înaltă performanță, iar experiența personalului implicat a fost un factor decisiv în succesul primei descoperiri obținute cu ajutorul detectorului upgradat. Pe termen lung, aceste realizări facilitează nu doar iluminarea unor întrebări fundamentale despre natura materiei, ci și dezvoltarea unor tehnologii conexe, cum ar fi variantele de cipuri din siliciu utilizabile și în imagistica medicală.

Unde pot fi consultate detaliile oficiale

Rezultatele și detaliile tehnice ale descoperirii au fost puse la dispoziție publicului și comunității științifice; pentru informații suplimentare se poate consulta prezentarea oficială sau comunicatul de presă publicat online. Detalii despre descoperire

Data comunicatului este 19 martie 2026, iar sursa principală a materialului este Universitatea din Manchester, care a furnizat informațiile privind descoperirea, contribuțiile tehnologice și contextul istoric al activităților sale în fizica particulelor.