Quark Quartet Fuels Quantum Feud
Τον Αύγουστο του 2003, ένα πείραμα στον επιταχυντή σωματιδίων KEKB στην Ιαπωνία βρήκε υπαινιγμούς για ένα απροσδόκητο σωματίδιο:Ένα σύνθετο από στοιχειώδη δομικά στοιχεία που ονομάζονται κουάρκ, δεν περιείχε δύο κουάρκ όπως τα μεσόνια ή τρία όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν όλη την ορατή ύλη, αλλά τέσσερα — ένας αριθμός που οι θεωρητικοί φυσικοί είχαν φτάσει να πιστεύουν ότι οι νόμοι της φύσης δεν το επέτρεπαν. Αυτό το υποψήφιο «τετρακουάρκ» διαλύθηκε τόσο γρήγορα που φαινόταν δύσκολο να το ονομάσουμε καθόλου σωματίδιο. Αλλά καθώς παρόμοιοι σχηματισμοί εμφανίστηκαν σε πειράματα σε όλο τον κόσμο, προκάλεσαν μια έντονη συζήτηση μεταξύ των ειδικών σχετικά με τη σωστή εικόνα της ύλης σε κβαντική κλίμακα.
Οι περισσότεροι πίστευαν ότι τα τετρακουάρκ ήταν ένα νέο είδος μικροσκοπικού μορίου - ουσιαστικά, δύο μεσόνια σε τροχιά, το καθένα από ένα κανονικό κουάρκ και ένα κουάρκ αντιύλης ή αντικουάρκ - ενώ μια μικρότερη ομάδα τα είδε ως αυτόνομα σωματίδια στα οποία τα δύο κουάρκ και δύο αντικουάρκ επικαλύπτονται στον ίδιο μικρό όγκο χώρου.
«Μισούμε ο ένας τον άλλον», είπε ο Antonio Polosa, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο Sapienza της Ρώμης, ο οποίος παίρνει την τελευταία θέση, γελώντας για τις αντίπαλες φατρίες. "Μισούμε πραγματικά ο ένας τον άλλον."
Όλα τα μέρη παρέμειναν αβέβαια για το ότι τα τετρακουάρκ ήταν πραγματικά - μέχρι που εμφανίστηκαν δεδομένα από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, τον 17 μίλια δακτύλιο συντριβής πρωτονίων κοντά στη Γενεύη. Λεπτομερείς μετρήσεις που αναφέρθηκαν τον Ιούνιο στο Physical Review Letters επιβεβαιώνουν ότι το σωματίδιο, το οποίο εντοπίστηκε για πρώτη φορά το 2007 στον επιταχυντή στην Ιαπωνία και ονομάστηκε Z(4430), είναι αναμφισβήτητα τετρακουάρκ. Τώρα, η ανακάλυψη αναγκάζει τους φυσικούς να επεκτείνουν την απλή τους εικόνα των αλληλεπιδράσεων κουάρκ ή τελικά να την αντικαταστήσουν με μια πιο λεπτή κατανόηση.
Και, σε μικτές κριτικές, οι ιδιότητες του Z(4430) ευνοούν σαφώς το αουτσάιντερ «μοντέλο diquark» και την υπόθεση ότι τα τετρακουάρκ είναι γνήσια σωματίδια. Η ύπαρξη τέτοιων καταστάσεων θα υποδηλώνει ένα θηριοτροφείο εξωτικών «αδρονίων» ή σωματιδίων από κουάρκ, συμπεριλαμβανομένων ομάδων άνω των τεσσάρων. Θα πιστοποιούσε επίσης λεπτές κβαντικές αλληλεπιδράσεις που μπορεί να διαμορφώσουν τους πυρήνες των υποθετικών «αστέρων κουάρκ», της καυτής σούπας κουάρκ που πιστεύεται ότι έχει κορεστεί το βρεφικό σύμπαν και, πιο κοντά στο σπίτι, τα δομικά στοιχεία πρωτονίων και νετρονίων της συνηθισμένης ύλης. /P>
"Άλλες ερμηνείες δεν είναι πραγματικά πολύ βάσιμες, για να είμαι ειλικρινής, σε σχέση με αυτό το σωματίδιο", είπε ο Polosa, ένας από τους δημιουργούς του μοντέλου diquark.
Αλλά οι υποστηρικτές του ανταγωνιστικού μοριακού μοντέλου διαφωνούν. Κατά τη γνώμη τους, τα τετρακουάρκ αφηγούνται μια νέα αλλά πιο συντηρητική ιστορία μεσονίων που εμπλέκονται στη χημεία κάτω από τη συνηθισμένη ατομική κλίμακα, χωρίς να αμφισβητούν το δόγμα ότι τα σωματίδια δύο και τριών κουάρκ είναι τα μόνα αδρόνια που υπάρχουν. Το Z(4430), ένα τετρακουάρκ που δεν μοιάζει με οποιονδήποτε συνδυασμό δύο τύπων μεσονίων που αναμιγνύονται ως μόριο, σίγουρα «το κάνει πιο δύσκολο», είπε ο Μάρεκ Κάρλινερ, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ στο Ισραήλ. Αλλά, είπε, το μοντέλο diquark έχει τα δικά του προβλήματα.
Με κάθε μοντέλο να μπορεί να αντιπροσωπεύει μερικά από τα 20 περίπου υποψήφια τετρακουάρκ που φαίνονται περίπλοκα από την άλλη προοπτική, μια τρίτη άποψη έχει κερδίσει πρόσφατα έδαφος:η πεποίθηση ότι οποιοδήποτε απλό μοντέλο υπολείπεται. «Αυτά τα μοντέλα μπορεί να έχουν όλα κάποια πτυχή της αλήθειας», είπε ο Eric Braaten, ένας θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο, αλλά όπως οι παροιμιώδεις τυφλοί που συναντούν διαφορετικά μέρη ενός ελέφαντα, «δεν μπορούν να περιγράψουν τον ελέφαντα παγκοσμίως». /P>
Το δικουάρκ και τα μοριακά μοντέλα είναι και οι δύο προσπάθειες να διασωθεί μια γελοιογραφική εικόνα αδρονίων που λειτούργησε τέλεια, αν και ανεξήγητα, για μισό αιώνα πριν εμφανιστούν τα τετρακουάρκ. Αυτό το «μοντέλο κουάρκ» αντιμετωπίζει το πρωτόνιο σαν να είναι φτιαγμένο από τρία φουσκωμένα κουάρκ, που το καθένα συνεισφέρει το ένα τρίτο στη συνολική του μάζα. Ωστόσο, τα πειράματα έχουν δείξει ότι τα κουάρκ σε ένα πρωτόνιο (και άλλα αδρόνια) είναι στην πραγματικότητα πολύ ελαφρύτερα από το άθροισμά τους, το καθένα μόνο στα χιλιοστά της μάζας του πρωτονίου. Η υπόλοιπη μάζα του προέρχεται από την ενέργεια που εμπλέκεται στη συγκόλληση των τριών κουάρκ μεταξύ τους, μια κολλητική ικανότητα γνωστή ως η ισχυρή δύναμη που μεταφέρεται από σωματίδια που ονομάζονται γκλουόνια. «Αυτό που αποκαλείτε «κουάρκ» μπορεί να έχει ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ και κόλλα και όλα τα υπόλοιπα ενσωματωμένα σε αυτό», εξήγησε ο Thomas Cohen, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ.
Η ακριβής δομή των αδρονίων κρύβεται στις πτυχές μιας 40χρονης θεωρίας της ισχυρής δύναμης που ονομάζεται κβαντική χρωμοδυναμική (QCD), ένα εύκολο στην εγγραφή αλλά απείρως αυτοαναφορικό και επομένως άλυτο σύνολο εξισώσεων. Κανείς δεν καταλαβαίνει γιατί η απεριόριστη πολυπλοκότητα του QCD μοιάζει ισοδύναμη με το μοντέλο των κουάρκ, ή με άλλα λόγια, γιατί η δυναμική συρροή κουάρκ και γκλουονίων γνωστή ως πρωτόνιο «συμπεριφέρεται κάπως σαν να είναι ένα απλό σύνθετο τριών σωματιδίων», είπε ο Braaten. Μέχρι τώρα, όλα τα αδρόνια προσποιούνταν τέτοια απλότητα. Τα τετρακουάρκ, τα οποία οι διάσημοι θεωρητικοί Edward Witten και Sidney Coleman υποστήριξαν λανθασμένα στη δεκαετία του 1970 ότι δεν συνάδουν με ένα απλοποιημένο ανάλογο του QCD, έχουν αποδειχθεί ότι είναι οι πρώτες εκδηλώσεις της θεωρίας που δεν συλλαμβάνονται επίσης από το μοντέλο κουάρκ.
"Το ντροπιαστικό γεγονός ότι τα τετρακουάρκ ανακαλύφθηκαν πειραματικά και δεν είχαν προβλεφθεί είναι ένδειξη ότι δεν καταλαβαίνουμε το QCD τόσο καλά όσο νομίζαμε", είπε ο Braaten.
Τώρα, αντί να εγκαταλείψουν τελείως το μοντέλο κουάρκ, οι υποστηρικτές των μοντέλων μοριακών και κουάρκ ελπίζουν να το επεκτείνουν ώστε να συμπεριλάβει τις νέες ανακαλύψεις.
Στο πνεύμα του αρχικού μοντέλου, οι δύο προτεινόμενες επεκτάσεις προσποιούνται ότι τα τετρακουάρκ είναι τετράπλευρα παχουλά κουάρκ. Παρουσιάζουν όμως αντίθετα οράματα για το πώς είναι διατεταγμένα αυτά τα στοιχεία. Σύμφωνα τόσο με το QCD όσο και με το μοντέλο των κουάρκ, τα κουάρκ έχουν μια ιδιότητα που ονομάζεται "χρώμα" και πρέπει να εισέρχονται σε συλλογικές καταστάσεις που είναι ουδέτερες από το χρώμα. Τα χρώματα τριών κουάρκ ακυρώνουν το ένα το άλλο μέσα σε ένα πρωτόνιο όπως, για παράδειγμα, ο συνδυασμός των πρωταρχικών χρωμάτων κόκκινο, πράσινο και μπλε κάνει το λευκό. Και, όπως συμβαίνει με τα συμπληρωματικά χρώματα όπως το μπλε και το κίτρινο, τα κουάρκ ζευγαρώνουν με τα αντικουάρκ για να σχηματίσουν άχρωμα μεσόνια. Πώς, όμως, τέσσερα κουάρκ επιτυγχάνουν χρωματική ουδετερότητα μέσα στα τετρακουάρκ;
Στη μοριακή εικόνα, καθένα από τα δύο κουάρκ ζευγαρώνει με ένα από τα δύο αντικουάρκ, σχηματίζοντας δύο ουδέτερα χρωματικά μεσόνια που συναντιούνται στιγμιαία ως μόριο μεσονίου πριν πετάξουν χώρια. Αλλά στο μοντέλο των δικουάρκ, τα κουάρκ σχηματίζουν ένα ζεύγος «ντικουάρκ», όπως και τα αντικουάρκ. Και τα δύο ζεύγη έχουν καθαρό χρώμα, επομένως πρέπει να συγχωνευτούν ως ένα συμπαγές, ουδέτερο χρώμα σωματίδιο για μια στιγμή πριν αλλάξουν συνεργάτες και αποσυνδεθούν.
Τα βασικά υποστηρικτικά παραδείγματα του μοριακού μοντέλου έχουν μάζες πολύ κοντά στο άθροισμα δύο ξεχωριστών μεσονίων, υπονοώντας ότι αυτά τα μεσόνια έχουν δεσμευτεί για λίγο από τη μικρότερη σταγόνα κόλλας (μεταβολή της συνδυασμένης μοριακής τους μάζας κατά μια τρίχα) πριν διαλυθούν. Το σήμα τετρακουάρκ που βρέθηκε στην Ιαπωνία το 2003, ονομαζόμενο X(3872) για την άγνωστη ταυτότητά του και τη μετρούμενη μάζα του, παρουσίαζε ακριβώς αυτή τη σύμπτωση μάζας. αυτό και πολλά επόμενα παραδείγματα ανέβασαν το μοριακό μοντέλο σε πρώιμη προβολή.
«Η προσέγγιση του ξυραφιού του Occam λέει ότι δοκιμάστε το πιο απλό πράγμα», είπε ο Karliner. "Αν λειτουργεί, τότε αυτό είναι."
Αλλά με την πρόσφατη ανακάλυψη του Z(4430), το ξυράφι στράφηκε ενάντια στο μοριακό μοντέλο. Η μάζα του τετρακουάρκ και άλλα σχολαστικά μετρημένα χαρακτηριστικά, όπως μια ιδιότητα που ονομάζεται «ισοτιμία σπιν», δεν ταιριάζουν με αυτά οποιωνδήποτε δύο μεσονίων. Για τους επικριτές του, αυτό σκοτώνει την ιδέα του μορίου. Όσον αφορά τα αποθέματά του, «η σημασία των αποδεικτικών στοιχείων εναντίον τους δεν έχει ακόμη χαθεί», δήλωσε ο υποστηρικτής του diquark Richard Lebed από το State University της Αριζόνα. "Υπάρχει κάποια αντίσταση, αν έχετε αφιερώσει πολύ χρόνο δουλεύοντας σε μια συγκεκριμένη εικόνα, για να αποδείξετε ότι δεν είναι σωστή."
Αν και ο Lebed βρίσκει κάπως περίεργο το γεγονός ότι τόσοι πολλοί υποψήφιοι τετρακουάρκ έχουν σχεδόν ακριβώς τις μάζες των γνωστών συνδυασμών μεσονίων, άλλοι υποστηρικτές του diquark αποκαλούν αυτές τις συμπτώσεις αναπόφευκτες:Με τουλάχιστον 12 ποικιλίες κουάρκ και αντικουάρκ, ορισμένες από τις τέσσερις συνδυασμένες μάζες τους είναι δεσμευμένες να πέσει κατά λάθος κοντά σε αυτά των ζευγών μεσονίων, λένε.
Και, τελικά, οι περισσότεροι κριτικοί βρίσκουν το μοριακό μοντέλο δύσκολο να το καταπιούν. Πώς θα μπορούσε ένα εύθραυστο κατασκεύασμα δύο μεσονίων να συγκρατείται με τόσο λίγη κόλλα στη μέση μιας σύγκρουσης πρωτονίων με ταχύτητα σχεδόν φωτός στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων; "Είναι ένα είδος κρυστάλλινου γυαλιού σε μια πυρηνική έκρηξη", είπε ο Polosa.
Η εικόνα του diquark μπορεί να προχωρά μετά την ανακάλυψη του Z(4430), αλλά παραμένει επίσης ημιτελής. Πρόσφατα, οπαδοί όπως ο Polosa εργάζονται για να ολοκληρώσουν το μοντέλο με νέους κανόνες συμμετρίας που θα εξηγούσαν γιατί ορισμένοι συνδυασμοί κουάρκ φαίνεται να επιτρέπονται και άλλοι όχι, ένα μοτίβο που αποτυπώθηκε πολύ καλύτερα από το μοριακό μοντέλο. Εν τω μεταξύ, σε μια νέα εργασία που έγινε δεκτή για δημοσίευση στο Physical Review Letters, ο Lebed και οι συνεργάτες του προσπαθούν να εξηγήσουν γιατί τα πολύχρωμα ζεύγη diquark και antidiquark μπορεί να σχηματιστούν αρχικά και γιατί αποσυντίθενται γρήγορα. Εάν είναι σωστές, αυτοί οι κανόνες θα επηρεάσουν άλλες προβλέψεις σχετικά με τη φυσική των αδρονίων, όπως αν υπάρχουν εξωτικά αστέρια γεμάτα κουάρκ. Θα εμβαθύνουν επίσης την κατανόηση των γνωστών αδρονίων όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια.
Αλλά δεν αισθάνονται όλοι ικανοποιημένοι με τον στολισμό της εικόνας diquark μέχρι να λειτουργήσει.
«Αυτά τα μοντέλα έχουν πολλά πόμολα μέσα τους», είπε ο Cohen. «Όταν τα πράγματα πάνε καλά, δηλώνεις τη νίκη και όταν δεν τα πάνε καλά, αρχίζεις να γυρνάς τα πόμολα». Η διαμάχη μεταξύ των δύο μοντέλων, είπε, αφορά το να καταλάβουμε "ποιο είναι το καλύτερο σημείο εκκίνησης για την εύλογα καλή περιγραφή των δεδομένων" — όχι εάν κάποιο από τα δύο είναι αληθές.
Φυσικοί όπως ο Cohen και ο Braaten πιστεύουν ότι το πλήρες φάσμα των τετρακουάρκ μπορεί να προβλεφθεί μόνο με καλύτερη προσέγγιση των ατέρμονων εξισώσεων του QCD, μια προσπάθεια που θα διευκρινίσει επίσης άλλα άγνωστα χαρακτηριστικά των κουάρκ και των γκλουονίων, όπως η συμπεριφορά τους χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Σε μια πρόσφατη εργασία στο Physical Review D, ο Braaten και οι συνεργάτες του πρότειναν ένα σχήμα προσέγγισης λειτουργικό σε έναν υπερυπολογιστή που πιστεύουν ότι θα μπορούσε να λειτουργήσει για την πρόβλεψη τετρακουάρκων.
Ωστόσο, τα πλεονεκτήματα μιας τέτοιας προσέγγισης μπορεί να είναι οριακά. Σε 40 χρόνια, οι ερευνητές απέτυχαν να δημιουργήσουν συντομεύσεις του QCD που να ταιριάζουν στα δεδομένα πολύ καλύτερα από το απλό μοντέλο κουάρκ. Πολλοί θεωρητικοί προτιμούν να επεκτείνουν αυτήν την απλή και αποτελεσματική κατανόηση αντί να μπουν σε ένα τέλμα QCD.
Επομένως, το ερώτημα παραμένει:Σε μελλοντικά διαγράμματα τετρακουάρκ, τα κουάρκ θα εμφανίζονται χέρι-χέρι με κουάρκ ή με αντικουάρκ;
«Θα υπάρξει μια εικόνα που θα είναι ουσιαστικά πιο επιτυχημένη από άλλες μόλις γίνουν γνωστά όλα τα δεδομένα», είπε ο Lebed. «Αλλά δεν θα εκπλαγώ καθόλου αν υπήρχαν ακόμα μερικά ενοχλητικά μυστήρια.»
