Τα εξωτικά σωματίδια που ονομάζονται πεντακουάρκ μπορεί να είναι λιγότερο περίεργα από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως
Πριν από τέσσερα χρόνια, όταν οι πειραματιστές εντόπισαν πεντακουάρκ - εξωτικά, βραχύβια σωματίδια από πέντε κουάρκ - μερικοί φυσικοί νόμιζαν ότι είχαν δει την ισχυρή πυρηνική δύναμη, που δεσμεύει τον ατομικό πυρήνα, εμπλέκοντας σε ένα παράξενο νέο τέχνασμα. Νέες παρατηρήσεις έχουν τώρα επεκτείνει τον ζωολογικό κήπο των πεντακουάρκ, αλλά προτείνουν μια πιο δαμαστή εξήγηση για τη δομή τους. Τα ευρήματα, από το πείραμα ομορφιάς Large Hadron Collider (LHCb), ένας ανιχνευτής σωματιδίων που τροφοδοτείται από το LHC στο CERN, το Ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας, υποδηλώνουν ότι τα πεντακουάρκ δεν είναι σάκοι πέντε κουάρκ που συνδέονται με έναν νέο τρόπο, αλλά είναι περισσότερο σαν συμβατικούς ατομικούς πυρήνες.
«Είμαι πραγματικά ενθουσιασμένος που τα νέα δεδομένα στέλνουν ένα τόσο σαφές μήνυμα», λέει ο Tomasz Skwarnicki, φυσικός LHCb στο Πανεπιστήμιο Syracuse στη Νέα Υόρκη που ηγήθηκε της μελέτης. Όμως, σημειώνει, «ίσως να μην είναι το μήνυμα που ήλπιζαν κάποιοι».
Τα πεντακουάρκ είναι βαρύτερα ξαδέλφια των πρωτονίων και των νετρονίων, τα οποία επίσης αποτελούνται από κουάρκ. Στη συνηθισμένη ύλη, τα κουάρκ υπάρχουν σε δύο τύπους, πάνω και κάτω. Οι θρυμματιστές ατόμων μπορούν να εκτινάξουν τέσσερις βαρύτερους τύπους κουάρκ σε σύντομη ύπαρξη:γοητεία, περίεργα, πάνω και κάτω. Τα κουάρκ προσκολλώνται το ένα στο άλλο μέσω της ισχυρής δύναμης τόσο ισχυρά που δεν μπορούν να απομονωθούν. Αντίθετα, βρίσκονται σχεδόν πάντα σε ομάδες των τριών σε σωματίδια γνωστά ως βαρυόνια—συμπεριλαμβανομένου του πρωτονίου και του νετρονίου—ή σε ζεύγη που ονομάζονται μεσόνια, τα οποία αποτελούνται από ένα κουάρκ και ένα κουάρκ αντιύλης.
Αλλά για δεκαετίες, ορισμένοι θεωρητικοί έχουν υποθέσει την ύπαρξη μεγαλύτερων δεσμίδων κουάρκ. Τα τελευταία χρόνια, οι πειραματιστές βρήκαν στοιχεία για σωματίδια τεσσάρων κουάρκ ή τετρακουάρκ. Στη συνέχεια, το 2015, το LHCb ανέφερε σημάδια δύο πεντακουάρκ.
Μερικοί θεωρητικοί υποστηρίζουν ότι τα νέα σωματίδια είναι σάκοι τεσσάρων και πέντε κουάρκ, που συνδέονται μεταξύ τους μέσω της ανταλλαγής κβαντικών σωματιδίων που ονομάζονται γκλουόνια, προσθέτοντας μια νέα ρυτίδα στη συχνά δυσεπίλυτη θεωρία της ισχυρής δύναμης. Άλλοι υποστηρίζουν ότι μοιάζουν περισσότερο με ατομικό πυρήνα. Σε αυτήν τη "μοριακή" εικόνα ένα πεντακουάρκ είναι ένα βαρυόνιο τριών κουάρκ κολλημένο σε ένα μεσόνιο δύο κουάρκ με τον ίδιο τρόπο που τα πρωτόνια και τα νετρόνια συνδέονται σε έναν πυρήνα—ανταλλάσσοντας βραχύβια μεσόνια pi.
Τα νέα πεντακουάρκ του LHCb, που αναφέρθηκαν σήμερα στο Physical Review Letters (PRL ), ενισχύουν τη μοριακή εικόνα. Το 2015, οι ερευνητές του LHCb ανέφεραν ένα πεντακουάρκ με μάζα 4450 megaelectro volts (MeV), 4,74 φορές τη μάζα του πρωτονίου. Με εννέα φορές περισσότερα δεδομένα, βρίσκουν τώρα σε αυτό το εύρος μάζας δύο σχεδόν επικαλυπτόμενα αλλά ξεχωριστά πεντακουάρκ με μάζες 4440 MeV και 4457 MeV. Βρίσκουν επίσης ένα ελαφρύτερο πεντακουάρκ στα 4312 MeV. Κάθε ένα περιέχει το ίδιο σύνολο κουάρκ:γοητεία, αντιγοητεία, δύο σκαμπανεβάσματα και ένα κάτω. (Προηγούμενες υποδείξεις για πεντακουάρκ στα 4380 MeV έχουν ξεθωριάσει.)
Ετοιμάστε τις βαλίτσες σας
Το ελαφρύτερο πεντακουάρκ έχει μάζα ακριβώς κάτω από το άθροισμα ενός συγκεκριμένου βαρυονίου και μεσονίου που μαζί περιέχουν τα σωστά συστατικά κουάρκ. Τα βαρύτερα πεντακουάρκ έχουν μάζες ακριβώς κάτω από το άθροισμα του ίδιου βαρυονίου και ένα σχετικό μεσόνιο με επιπλέον εσωτερική ενέργεια. Αυτό υποδηλώνει ότι κάθε πεντακουάρκ είναι απλώς ένα βαρυόνιο συνδεδεμένο με ένα μεσόνιο, με ένα μικροσκοπικό κομμάτι μάζας που απορροφάται σε δεσμευτική ενέργεια. "Αυτή είναι μια εξήγηση χωρίς μυαλό", λέει ο Marek Karliner, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ στο Ισραήλ.
Η μοριακή εικόνα βοηθά επίσης να εξηγηθεί γιατί τα πεντακουάρκ, αν και φευγαλέα, φαίνεται να είναι πιο σταθερά από το αναμενόμενο, λέει ο Karliner. Αυτό συμβαίνει επειδή η συσκευασία του κουάρκ γοητείας στο βαρυόνιο και του κουάρκ αντιγοητείας στο μεσόνιο τα χωρίζει, εμποδίζοντάς τα να αφανιστούν ο ένας τον άλλον.
Άλλοι θεωρητικοί έσπευσαν σε ένα παρόμοιο συμπέρασμα όταν οι ερευνητές του LHCb συζήτησαν τα αποτελέσματά τους σε ένα συνέδριο στο La Thuile της Ιταλίας, τον Μάρτιο. Για παράδειγμα, μέσα σε μια μέρα, ο Li-Sheng Geng, ένας θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο Beihang στο Πεκίνο, και οι συνάδελφοί του δημοσίευσαν μια εργασία, στον τύπο στο PRL , που χρησιμοποιεί τη μοριακή εικόνα για να προβλέψει την ύπαρξη τεσσάρων ακόμη πεντακουάρκ που θα πρέπει να βρίσκονται εντός της εμβέλειας του LHCb.
Αλλά η εικόνα των κουάρκ δεν έχει πεθάνει. Τα πεντακουάρκ θα πρέπει περιστασιακά να σχηματίζονται όταν τα πρωτόνια βομβαρδίζονται με φωτόνια ακτίνων γάμμα, όπως προσπαθούν να κάνουν οι φυσικοί στην Εθνική Εγκατάσταση Επιταχυντή Thomas Jefferson στο Newport News της Βιρτζίνια. Αλλά δεν έχουν ακόμη εντοπίσει κανένα πεντακουάρκ. Αυτό υπονομεύει τη μοριακή εικόνα επειδή προβλέπει υψηλότερα ποσοστά για τέτοια φωτοπαραγωγή από ό,τι κάνει το μοντέλο σακκούλας των κουάρκ, λέει ο Ahmed Ali, θεωρητικός στο DESY, το γερμανικό εργαστήριο επιταχυντών στο Αμβούργο. «Ήδη σχεδόν αποκλείουν τη μοριακή ερμηνεία», λέει. Άλλοι λένε ότι είναι πολύ νωρίς για να βγάλουμε τέτοια συμπεράσματα.
Η δομή των πεντακουάρκ δεν είναι απαραίτητα μια/ή πρόταση, σημειώνει ο Feng-Kun Guo, θεωρητικός στην Κινεζική Ακαδημία Επιστημών στο Πεκίνο. Η κβαντομηχανική επιτρέπει σε ένα μικροσκοπικό αντικείμενο να είναι ταυτόχρονα σωματίδιο και κύμα ή να βρίσκεται σε δύο σημεία ταυτόχρονα. Ομοίως, ένα πεντακουάρκ θα μπορούσε να έχει και τις δύο δομές ταυτόχρονα. "Είναι απλώς ένα ερώτημα ποιο είναι το κυρίαρχο", λέει ο Guo.
Ανεξάρτητα από τον μηχανισμό δέσμευσης, τα νέα πεντακουάρκ είναι συναρπαστικά επειδή υποδηλώνουν την ύπαρξη μιας εντελώς νέας οικογένειας τέτοιων σωματιδίων, λέει ο Karliner. "Είναι σαν ένας εντελώς νέος περιοδικός πίνακας."
*Διόρθωση, 6 Ιουνίου, 4 μ.μ.: Η ιστορία έχει ενημερωθεί για να αντικατοπτρίζει ότι παρόλο που νέα δεδομένα αποδυναμώνουν την περίπτωση ενός πεντακουάρκ με μάζα 4380 megaelectrovolt, δεν το αποκλείουν.
