Οι μυστηριώδεις δυνάμεις μέσα στον πυρήνα γίνονται λίγο λιγότερο παράξενες

Δισεκατομμύρια φορές κάθε λεπτό, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) συνθλίβει πρωτόνια μαζί, απελευθερώνοντας μια δίνη ενέργειας που κρυσταλλώνεται σε περισσότερα πρωτόνια, νετρόνια και λιγότερο γνωστά ξαδέλφια των πυρηνικών σωματιδίων. Μερικά σωματίδια συναντούν το ένα το άλλο καθώς φεύγουν από τη σκηνή. Τι θα συμβεί στη συνέχεια — εάν ένα δεδομένο ζεύγος ενωθεί ή απομακρύνεται — οι φυσικοί γενικά δεν μπορούν να πουν.

Οι θεωρητικοί ανέλυσαν πώς δρουν τα σωματίδια μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια πριν από περισσότερα από 50 χρόνια. Αλλά αυτά τα σωματίδια, γνωστά ως κουάρκ, δεν εμφανίζονται ποτέ μόνα τους και η δύσκολα κερδισμένη θεωρία της δύναμής τους - η ισχυρή δύναμη - αποτυγχάνει να προβλέψει τη συμπεριφορά ομάδων κουάρκ, των αντικειμένων που στην πραγματικότητα αποτελούν το σώμα μας και εμφανίζονται σε επιταχυντές σωματιδίων.

"Αυτό είναι, αν θέλετε, τα σύνορα της πυρηνικής φυσικής", είπε η Laura Fabbietti, φυσικός στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου, "κατανοώντας [αυτές] τις αλληλεπιδράσεις από τις πρώτες αρχές."

Μετά από δεκαετίες δουλειάς, ισχυροί τρόποι κατασκοπείας «αδρόνια» — σωματίδια από πολλαπλά κουάρκ— φθάνουν επιτέλους σε ωριμότητα. Οι υπερυπολογιστές μπορούν τώρα να υπολογίσουν τη δύναμη μεταξύ ορισμένων ψηφιακών αδρονίων. Και οι ερευνητές στο LHC πρωτοστατούν σε μια νέα μέθοδο, γνωστή ως femtoscopy, που μπορεί να ανιχνεύσει άμεσα τους τρόμους μεταξύ φευγαλέων αδρονίων που προκαλούνται από την ισχυρή δύναμη. Η έρευνα αποκαλύπτει νέες πτυχές της πιο ανεξερεύνητης δύναμης της φύσης.

"Ξαφνικά, μπορούμε να δοκιμάσουμε για πρώτη φορά την ισχυρή αλληλεπίδραση" μεταξύ οποιουδήποτε ζεύγους αδρονίων, είπε ο Fabbietti, ένας από τους προγραμματιστές της femtoscopy.

Ο αινιγματικός πυρήνας

Ο πυρήνας του ατόμου έχει προκαλέσει τους φυσικούς από τη δεκαετία του 1930, όταν ηγέτες στον τομέα, συμπεριλαμβανομένων των Enrico Fermi και Werner Heisenberg, προσπάθησαν να συμφιλιώσουν αρκετές περίεργες παρατηρήσεις. Το ένα ήταν το γεγονός ότι ο πυρήνας υπήρχε. Πάρτε τον πυρήνα του ηλίου, όπου δύο πρωτόνια φωλιάζουν μεταξύ τους μόλις μερικά φεμτόμετρα (εκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του μέτρου) μεταξύ τους. Σε αυτή την απόσταση, τα δύο θετικά φορτία θα πρέπει να απομακρύνουν τον πυρήνα με 20 λίβρες δύναμης. Ωστόσο, τα σταθερά άτομα ηλίου αφθονούν. Ο ηλεκτρομαγνητισμός ελέγχει το άτομο, αλλά ο πυρήνας φαίνεται να παίζει με διαφορετικούς κανόνες.

Ένας σχετικά άγνωστος Ιάπωνας φυσικός, ο Hideki Yukawa, χτύπησε ένα σημαντικό κομμάτι του πυρηνικού παζλ το 1935.

Αν κάποια ισχυρή δύναμη κρατούσε τον πυρήνα ενωμένο, ήταν περίεργο. Το φωτόνιο χωρίς μάζα μεταφέρει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη πολύ μακριά, αλλά τα πρωτόνια και τα νετρόνια χρειάζονται στενή επαφή για να κολλήσουν. Η κύρια ιδέα του Yukawa ήταν ότι αυτό το μικρό εύρος προκύπτει από το σωματίδιο της νέας δύναμης που έχει μάζα που περιορίζει την κινητικότητά του. υπολόγισε ότι θα έπρεπε να έχει 200 ​​φορές το βάρος του ηλεκτρονίου. Οι φυσικοί ανακάλυψαν το πι μεσόνιο ή «πιόνιο» στις κοσμικές ακτίνες το 1947, με μάζα μόλις ένα τρίτο μεγαλύτερη από ό,τι είχε προβλέψει ο Yukawa. Το Νόμπελ του ήρθε δύο χρόνια αργότερα.

«Ήταν το πρώτο άτομο που προέβλεψε την ύπαρξη κάποιου νέου σωματιδίου», είπε ο Tetsuo Hatsuda, πυρηνικός φυσικός και διευθυντής προγράμματος του ινστιτούτου RIKEN στην Ιαπωνία. "Αυτή ήταν η γέννηση της σωματιδιακής φυσικής."

Το πιόνι αποδείχθηκε το πρώτο από έναν κατακλυσμό νέων σωματιδίων. Τα μοτίβα σε αυτό το αναπτυσσόμενο θηριοτροφείο οδήγησαν τους θεωρητικούς στο συμπέρασμα ότι τα κουάρκ υπάρχουν σε έξι ποικιλίες και δένουν τόσο σφιχτά που υπάρχουν πάντα σε ομάδες. Σήμερα, οι φυσικοί γνωρίζουν περισσότερα από 300 μοναδικά αδρόνια.

Οι θεωρητικοί ανέλυσαν πώς η ισχυρή δύναμη κυβερνά τα κουάρκ - μια θεωρία γνωστή ως κβαντική χρωμοδυναμική ή QCD - τη δεκαετία του 1970. Αλλά δυστυχώς, απλώς δεν παρέχει όλες τις απαντήσεις.

Το QCD απεικονίζει τα κουάρκ ως εναλλασσόμενες αναταραχές «γκλουονίων» που μεταφέρουν δύναμη με μια ένταση που αυξάνεται με την απόσταση, όπως η τάση σε μια ελαστική ταινία. Όταν τα σωματίδια συγκρούονται μεταξύ τους, όπως συμβαίνει σε έναν επιταχυντή σωματιδίων, τα κουάρκ πλησιάζουν τόσο πολύ μεταξύ τους που η ελαστικότητα χαλαρώνει. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το QCD λειτουργεί καλά. Αλλά υπό συνηθισμένες συνθήκες, το ελαστικό τεντώνεται και εμπλέκεται, και τα μαθηματικά του QCD καταρρέουν. Αυτός ο περιορισμός καθιστά τη συμπεριφορά των αδρονίων στον πραγματικό κόσμο ένα μυστήριο.

"Αυτό είναι το μόνο [ανυπολόγιστο] κομμάτι στο Καθιερωμένο μοντέλο της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων", δήλωσε ο Tetsuo Hyodo, φυσικός στο Μητροπολιτικό Πανεπιστήμιο του Τόκιο.

Hadron High Jinks

Ακόμη και χωρίς μια επιλύσιμη θεωρία, δύο τεχνικές βοηθούν όλο και περισσότερο τους φυσικούς να σπάσουν την κρυπτική συμπεριφορά των σωματιδίων.

Το πρώτο είναι να αναθέσουμε το πρόβλημα σε υπερυπολογιστές. Οι ερευνητές δημιούργησαν ένα ψηφιακό εργαστήριο ως εξής:Χωρίζουν τον χώρο σε ένα πλέγμα και τον χρόνο σε μια σειρά από διακριτές στιγμές. Κολλούν κουάρκ στα σημεία που τέμνονται οι γραμμές του πλέγματος και γκλουόνια στους μεταξύ τους δεσμούς. Στη συνέχεια υπολογίζουν τι συμβαίνει καρέ προς καρέ με τρόπο που θα ήταν αδύνατο για ομαλό χώρο και χρόνο.

Το 2007, η ερευνητική ομάδα του Hatsuda χρησιμοποίησε αυτή την προσέγγιση «δικτυωτού QCD» για να προσομοιώσει ζεύγη πρωτονίων ή νετρονίων ως πιο ρεαλιστικά σύννεφα κουάρκ και γκλουονίων, αντί για σημεία τύπου Yukawa. Επιβεβαίωσαν ότι όταν τα πρωτόνια ή τα νετρόνια απέχουν περίπου ένα πρωτόνιο πλάτος μεταξύ τους, πραγματικά έλκονται σαν να ανταλλάσσουν πιόνια. «Κατά κάποιο τρόπο, ο Yukawa επιβεβαιώνεται με βάση το QCD», είπε ο Hatsuda. Η ομάδα προχώρησε επίσης πέρα ​​από τη θεωρία του Yukawa και απέδειξε ότι η έλξη μετατρέπεται σε απώθηση όταν τα σωματίδια πλησιάζουν ακόμη περισσότερο.

Πρόσφατα, η ομάδα δημιούργησε εικονικές συναντήσεις μεταξύ ενός πρωτονίου ή νετρονίου (που περιέχει ελαφρύτερα κουάρκ «επάνω» και «κάτω») και ενός «ωμέγα» αδρόνιου που δημιουργήθηκε από τρία βαρύτερα «παράξενα» κουάρκ. Βρήκαν το 2019 ότι το ζεύγος των αδρονίων τραβιέται το ένα πάνω στο άλλο κοντά και μακριά. Και το 2020, η συνεργασία υπολόγισε ότι ένα ζευγάρι «λάμδα» (ένα up quark, ένα down quark και ένα βαρύτερο κουάρκ) έλκονται ασθενώς. Αυτά τα αποτελέσματα αντιπροσωπεύουν μερικές από τις πρώτες υποδείξεις για το πώς τα βαρύτερα αδρόνια, τα οποία τείνουν να αποσυντίθενται αστραπιαία, επηρεάζουν το ένα το άλλο.

Παράλληλα, οι ερευνητές του LHC άρχισαν να αξιοποιούν το πείραμα ALICE για να εντοπίσουν πραγματικά αδρόνια. Οι συγκρούσεις πρωτονίων παράγουν μια έκρηξη αδρονίων, πολλά από τα οποία διασπώνται σε άλλα σωματίδια. Οι ερευνητές της ALICE διατρέχουν αυτό το συντρίμμι για να βρουν σημάδια επιθυμητών ζευγών αδρονίων. Συγκρίνουν ζευγάρια αδρονίων που κινούνταν μαζί κατά μήκος παρόμοιων μονοπατιών με εκείνα που πήγαιναν σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Ο στόχος είναι να αποκαλυφθούν σημάδια για το πώς τα κοντινά αδρόνια θα μπορούσαν να προσελκύσουν ή να απωθούν το ένα το άλλο. Η τεχνική μπορεί να ανιχνεύσει αδρονικές συσπάσεις τόσο μικρές όσο ένα μόνο φεμτόμετρο.

«Η ομορφιά είναι ότι μπορείς να εφαρμόσεις αυτή την τεχνική σε αδρόνια που είναι πολύ σπάνια και ασταθή», είπε ο Fabbietti, ο οποίος ηγείται της ομάδας φεμφτοσκόπησης στο πλαίσιο της συνεργασίας ALICE. "Κανονικά δεν υπάρχουν άλλες πιθανότητες να αφήσουμε δύο σωματίδια να μιλήσουν μεταξύ τους και να δούμε τι λένε."

Η συνεργασία περιγράφει λεπτομερώς τη μέθοδο φεμφτοσκόπησης στο Nature το 2020. Τον περασμένο Οκτώβριο, αποκάλυψαν μια μέτρηση μιας σε μεγάλο βαθμό άγνωστης αλληλεπίδρασης, μιας μεταξύ ενός πρωτονίου και ενός μεσονίου φι (το οποίο αποτελείται από ένα περίεργο κουάρκ και το αντικουάρκ του). Οι πειραματιστές συνήθως βασίζονται σε θεωρητικά δεδομένα από το πλέγμα QCD για να ερμηνεύσουν τα δεδομένα τους, αλλά έχει γίνει τόσο λίγη δουλειά στα μεσόνια φι που χρειάστηκε να επιστρέψουν στη θεωρία του Yukawa του 1935.

"Για το proton-phi δεν υπήρχε τίποτα", είπε η Emma Chizzali, η μεταπτυχιακή φοιτήτρια που ηγήθηκε της ανάλυσης δεδομένων.

Τα πρωτόνια και τα μεσόνια φι που πλησίαζαν το ένα στο άλλο φάνηκε να προσελκύουν, κατέληξε η συνεργασία ALICE από περίπου 100.000 ζεύγη. Ωστόσο, η έλξη ήταν μόνο το ένα δέκατο τόσο ισχυρή όσο αυτή μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων.

Το πείραμα είναι «πολύ συναρπαστικό», είπε ο Hatsuda. Η ομάδα του ελέγχει αυτήν τη στιγμή το αποτέλεσμα με το πλέγμα QCD.

Από το LHC στα αστέρια νετρονίων

Ενώ τα αδρόνια που περιέχουν παράξενα κουάρκ διασπώνται γρήγορα στον LHC, μπορεί να υπάρχουν ως μακροχρόνιοι κάτοικοι άστρων νετρονίων, όπου οι τεράστιες πιέσεις θα μπορούσαν να σταθεροποιήσουν παράξενες παραλλαγές πρωτονίων γνωστές ως «υπερόνια». Αυτά τα υπερόνια θα ανταλλάσσουν μεσόνια φι αντί για πιόνια, τα οποία ορισμένοι θεωρητικοί έχουν προτείνει ότι θα μπορούσαν να σκληρύνουν τα νεκρά αστέρια. Αλλά το αποτέλεσμα της ALICE υποδηλώνει ότι οι παράξενες αλληλεπιδράσεις είναι πολύ αδύναμες για να έχουν σημασία.

"Εάν υπάρχουν υπερόνια μέσα στα αστέρια νετρονίων", είπε ο Fabbietti, "οι αλληλεπιδράσεις τους μπορεί να παραμεληθούν εντελώς."

Ο Hyodo ελπίζει ότι η ολοκληρωμένη γνώση για το ποια σωματίδια δύο και τριών κουάρκ κολλούν μεταξύ τους θα μπορούσε να εξηγήσει ένα άλλο μυστήριο - γιατί οι ομάδες τεσσάρων ή πέντε κουάρκ είναι τόσο σπάνιες. Οι φυσικοί έχουν καταλογίσει εκατοντάδες δίδυμα κουάρκ και τρίο, αλλά μόνο μια χούφτα τετρακουάρκ και πεντακουάρκ.

Για τον σκοπό αυτό, η ALICE έχει εξετάσει ένα δισεκατομμύριο περίπου συγκρούσεις που έλαβαν χώρα μεταξύ 2016 και 2018. Από την άνοιξη, ωστόσο, μια αναβάθμιση στον LHC θα τους επιτρέψει να λάβουν δεδομένα 100 φορές πιο γρήγορα. Κατά την επόμενη δεκαετία, ο Fabbietti αναμένει να μετρήσει την ανάμειξη σπανιότερων αδρονίων που περιέχουν ακόμη βαρύτερα κουάρκ.

"Χτίζουμε αυτό το παζλ", είπε, "προσπαθώντας να τα μετρήσουμε όλα."