Hadrony to cząstki złożone z kwarków, które ze względu na swoją budowę dzielą się na dwie główne grupy: bariony oraz mezony. Bariony, takie jak proton (\(uud\)) i neutron (\(udd\)), składają się zawsze z trzech kwarków. Natomiast mezony, jak na przykład \(J/\Psi\) (układ kwarka \(c\) i jego antycząstki \(\bar{c}\)) albo piony \(\pi^+\) (\(u\bar{d}\)), \(\pi^-\) (\(d\bar{u}\)), powstają z połączenia kwarka i antykwarka.
Oddziaływania silne, odpowiedzialne za wiązanie kwarków, są na tyle potężne, że kwarki nigdy nie występują samodzielnie. Samotny kwark, posiadający kolorowy ładunek oddziaływań silnych, ulega procesowi hadronizacji. W jego trakcie oddziaływanie silne, pośredniczone przez gluony, prowadzi do tworzenia dodatkowych cząstek, które łączą się z kwarkiem, tworząc hadrony.
Wyjątek stanowi ciężki kwark wysoki, nazywany z angielskiego kwarkiem \(t\) (top), co czyni go niewątpliwie najbardziej osobliwym z kwarków. Tę odkrytą w 1995 roku (w amerykańskim Tevatronie) cząstkę – najcięższą ze wszystkich opisywanych przez Model Standardowy – cechuje czas życia rzędu \(10^{-25}\) sekundy. Ponieważ jest on o rząd wielkości krótszy niż proces hadronizacji (\(10^{-24}\) sekundy), więc kwark \(t\) nie tworzy żadnych złożonych cząstek. Po prostu rozpada się szybciej, niż może zostać związany w postaci hadronów!
Jest to unikalna cecha kwarka wysokiego, który jako jedyna oddziałująca silnie cząstka elementarna może być obserwowany w postaci swobodnej. Dzięki temu, że kwark \(t\) nie zdąży wytworzyć hadronu, można bezpośrednio badać jego właściwości, np. spin. Obserwując kinematykę produktów rozpadu par kwark-antykwark (\(t\bar{t}\)), fizycy z eksperymentów CMS i ATLAS potrafili odtworzyć momenty pędu wyjściowych kwarków. Po analizie wielu takich zdarzeń znaleźli korelację między ich spinami – co interpretujemy jako splątanie kwantowe [1, 2].
Najnowsze odkrycia idą jednak jeszcze dalej. Choć kwark \(t\) nie tworzy hadronów, to w krótkiej chwili przed jego rozpadem możemy zaobserwować zaczątki hadronizacji. Oddziaływanie z gluonami sprawia, że produkcja par \(\bar{t}t\) jest zwiększona, co prowadzi do większej liczby obserwowanych zdarzeń, niż gdyby nie dochodziło do hadronizacji.
Takie zjawisko zaobserwowali niedawno fizycy pracujący w eksperymencie CMS [3]. Nową ,,cząstkę” nazywamy Toponium i przedstawiamy jako nieuformowany stan związany kwarku wysokiego i jego antycząstki \(\bar{t}.\) Jego masa jest równa około \(340\) GeV, czyli jest niemal równa podwójnej masie kwarka \(t.\) Łatwo to zrozumieć – wkład energetyczny od oddziaływań silnych (w przeciwieństwie do lekkich hadronów, jak piony, protony czy neutrony) jest tu marginalny, ponieważ kwarki \(t\) (\(171\) GeV) są dużo cięższe niż suma energii zawartych w Toponium gluonów (ok. \(1\) GeV).
Warto zaznaczyć, że nie mamy jeszcze pełnego potwierdzenia, że nowo odkryta cząstka to na pewno Toponium. Alternatywy są jednak jeszcze bardziej ekscytujące – oznaczałyby bowiem, że jest to zupełnie nowa cząstka elementarna, sygnalizująca odkrycie zupełnie nowej fizyki.
Bibliografia
[1] ATLAS Collaboration. Observation of quantum entanglement with top quarks at the ATLAS detector. Nature 633 (2024). arXiv: 2311.07288 [hep-ex].
[2] CMS Collaboration. Measurements of polarization and spin correlation and observation of entanglement in top quark pairs using lepton + jets events from proton-proton collisions at \(\sqrt{s} = 13\) TeV. Physical Review D 110 (2024).
[3] CMS Collaboration. Observation of a pseudoscalar excess at the top quark pair production threshold. (eprint, marzec 2025) arXiv: 2503.22382 [hep-ex].
Ciekawym kierunkiem dalszych badań byłaby możliwość istnienia stanów wzbudzonych Toponium. W przypadku lżejszych mezonów, takich jak \(J/\Psi,\) znane są całe serie wyższych stanów energetycznych (np. \(\Psi (2S)\)), odpowiadających różnym modom oscylacyjnym czy orbitalnym kwarków. Podobne wzbudzenia, nawet w postaci krótkich korelacji, moglibyśmy hipotetycznie zaobserować w przypadku kwarka \(t.\)
Najważniejszy wydaje się jednak fakt, że w LHC zarejestrowano zupełnie nową cząstkę. Jest to pierwsze tego typu odkrycie od zarejestrowania bozonu Higgsa, które miało miejsce ponad dziesięć lat temu. Istnienie Toponium stanowiło do tej pory hipotezę, i wreszcie udało się ją potwierdzić eksperymentalnie. Jest to pierwszy hadron zawierający najcięższy z kwarków, co czyni go wyjątkowym.
Nie ulega wątpliwości, że badania nad kwarkiem wysokim wciąż przynoszą nowe odkrycia. Możemy więc z nadzieją i ekscytacją czekać na przyszłość fizyki kwarka \(t.\)