Kwarki są fundamentalnymi składnikami materii, stanowiącymi podstawowe elementy składowe protonów i neutronów, które z kolei tworzą jądra atomowe. Wyróżnia się sześć rodzajów (tzw. zapachów) kwarków: górny, dolny, powabny, dziwny, wysoki i niski. Kwarki charakteryzują się unikalnymi właściwościami, takimi jak ładunek elektryczny ułamkowy i tak zwany ładunek kolorowy, który jest przyczyną oddziaływań silnych, wiążących kwarki w złożone cząstki.
Teoria przewiduje, że w ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu Wszechświat wypełniała ekstremalnie gorąca i gęsta plazma kwarkowo-gluonowa. W tym egzotycznym stanie materii kwarki i gluony poruszały się swobodnie i nie były związane ze sobą w hadrony takie jak protony i neutrony. W miarę ochładzania się Wszechświata plazma kwarkowo-gluonowa uległa hadronizacji, czyli procesowi łączenia się kwarków w znane nam cząstki.
Czytaj także: Pierwsza taka obserwacja. Uchwycono cztery kwarki jednocześnie
Badanie plazmy kwarkowo-gluonowej jest niezwykle trudne ze względu na jej krótkotrwałość i ekstremalne warunki, w jakich istnieje. Naukowcy starają się odtworzyć te pierwotne warunki poprzez zderzanie ciężkich jonów w akceleratorach cząstek, takich jak właśnie Wielki Zderzacz Hadronów. Zderzenia te generują kaskady cząstek, które na ułamek sekundy odtwarzają warunki panujące w pierwszych milionowych częściach sekundy po Wielkim Wybuchu.
Kwarki wysokie (szczytowe), będące najcięższymi ze wszystkich znanych kwarków, są szczególnie cenne w badaniach wczesnego Wszechświata ze względu na swoje unikalne właściwości.
Niestety, są one najtrudniejszymi do obserwacji. Ich ogromna masa powoduje jednak, że są one bardzo niestabilne i rozpadają się w ciągu zaledwie 10⁻²⁵ sekundy. Zanim zatem plazma kwarkowo-gluonowa ulegnie hadronizacji, kwarków wysokich już nie ma.
W najnowszym badaniu naukowcy z kolaboracji ATLAS zastosowali sprytną metodę detekcji pośredniej. Zamiast obserwować same kwarki wysokie, fizycy skupili się na analizie produktów ich rozpadu. Zidentyfikowali pary kwarków wysokich poprzez tak zwany „kanał rozpadu dileptonowego”. W tym procesie każdy kwark wysoki rozpada się na kwark niski i bozon W, który następnie ulega rozpadowi na neutrino i lepton (elektron lub mion). Analizując szczegółowo produkty zderzeń jąder ołowiu, naukowcom udało się zrekonstruować ten złożony łańcuch rozpadów i potwierdzić obecność par kwarków wysokich.
Czytaj także: 30 lat od odkrycia kwarków t. Teraz ujawniono ich niezwykłą właściwość
Co niezwykle ważne, odkrycie osiągnęło poziom istotności statystycznej, wynoszący 5,03 sigma, a więc przekraczający próg 5 sigma przyjmowany za potwierdzenie odkrycia. To osiągnięcie stanowi znaczący krok naprzód w badaniach wczesnego Wszechświata, rozszerzając wcześniejsze obserwacje produkcji kwarków wysokich w zderzeniach protonów z jądrami ołowiu na pełne zderzenia jąder ołowiu.
Mamy zatem nową cegiełkę w naszej wiedzy o początkach wszechświata. Wychodzi bowiem na to, że wszystkie sześć rodzajów kwarków istniało w pierwotnej plazmie kwarkowo-gluonowej, która istniała przed powstaniem pierwszych hadronów i atomów.