Πεντακουάρκ: Το εξωτικό βαρυόνιο

Άρθρο, Ιούλιος 2003

Υπάρχουν πρόσφατες αποδείξεις από 3 χωριστά πειράματα υπέρ της ύπαρξης ενός νέου υποατομικού σωματιδίου, του πεντακουάρκ ή πεντακουάρκ

Σε ένα πείραμα, που πραγματοποιήθηκε με το μαγνητικό φασματόμετρο CLAS στο εργαστήριο Jefferson, χρησιμοποιήθηκε μια ακτίνα φωτονίων πολλών GeV και ενός στόχου δευτερίου. Η αντίδραση παρήγαγε ένα   μεσόνιο Κ^- και ένα πρωτόνιο στη τελική κατάσταση, μαζί με το πεντακουάρκ, το οποίο διασπάστηκε αμέσως σε ένα νετρόνιο και ένα μεσόνιο Κ⁺. Το πιθανό διάγραμμα εμφανίζεται πιο κάτω.

Το αποτέλεσμα αυτού του πειράματος αναγγέλθηκε αρχικά τον Μάιο του 2003 σε Συνέδριο για τη Πυρηνική Φυσική (CIPANP) στη Νέα Υόρκη από το φυσικό Stepan Stepanyan.

Ο φυσικός Ken Hicks, του Πανεπιστημίου του Οχάιο, που συμμετείχε και στο πείραμα και στην εργασία επαλήθευσης, στο εργαστήριο Jefferson, στη Βιρτζίνια των ΗΠΑ, λέει ότι χρειάστηκε δύο μήνες για να πειστεί ότι το πεντακουάρκ ήταν πραγματικό.

Το 2002, τα πρώτα δοκιμαστικά στοιχεία του πεντακουάρκ υποβλήθηκαν σε μια διεθνή επιστημονική διάσκεψη στην Ιαπωνία. Στις αρχές του τρέχοντος έτους, μια έκθεση αυτής της εργασίας υποβλήθηκε για δημοσίευση στο περιοδικό Physical Review Letters.

Η έκθεση λέει ότι τα πεντακουάρκ δημιουργήθηκαν καθώς ακτινοβολήθηκαν με ακτίνες Χ άτομα του άνθρακα. Η εργασία έγινε από μια Ιαπωνική ομάδα, που καθοδηγήθηκε από τον Takashi Nakano του Πανεπιστημίου της Οζάκα.

Αλλά οι ισχυρότερες, ίσως, αποδείξεις προέρχονται από το εργαστήριο Jefferson παρόλο ότι για το πεντακουάρκ αναφέρθηκαν πρόσφατα κι άλλα πειράματα.

Ξεχωριστό βαρυόνιο

Μέχρι τώρα, όλα τα γνωστά αδρόνια υπάρχουν σε δύο μόνο κατηγορίες: Τα βαρυόνια, που αποτελούνται από 3 κουάρκ, για παράδειγμα τα νετρόνια και τα πρωτόνια. Και τα μεσόνια, που αποτελούνται από δύο κουάρκ (συγκεκριμένα, από ένα κουάρκ και ένα αντι-κουάρκ).

Το πεντακουάρκ, όμως, φτιάχνεται από πέντε κουάρκ (συγκεκριμένα, από 4 κουάρκ και 1 αντι-κουάρκ). Αποτελεί δε το πρώτο παράδειγμα μιας νέας ταξινόμησης των σωματιδίων, που είναι γνωστά ως εξωτικά βαρυόνια.

Το, ως τώρα, γνωστό Καθιερωμένο Μοντέλο των σωματιδίων δεν το απαγορεύει αυτό, αλλά κανένα πειστικό στοιχείο δεν έχει προέλθει από τις μυριάδες των πειραμάτων που έγιναν μέχρι τώρα, στα προηγούμενα 30 χρόνια για την ύπαρξη αυτών των εξωτικών βαρυονίων.

Έχει βρεθεί χωρίς καμιά αμφισβήτηση, από βαθιά ανελαστικά πειράματα διασκεδασμού, ότι μια θάλασσα κουάρκ (ζεύγη κουάρκ και αντι-κουάρκ) είναι μέρος της βασικής κατάστασης της κυματοσυνάρτησης του νουκλεονίου. Επιπλέον, είναι καλά γνωστό ότι οι διεγερμένες καταστάσεις του νουκλεονίου περιβάλλονται από ένα νέφος πιονίων. Από αυτή την άποψη, ξέρουμε ότι σχηματισμοί από πέντε κουάρκ (qqqq qbar) (4 κουάρκ και 1 αντι-κουάρκ) αναμιγνύονται με τα καθιερωμένα σωματίδια με 3 κουάρκ.

Είναι φυσικό να αναρωτηθούμε εάν  υπάρχει ένας σχηματισμός από 5 κουάρκ, όπου το αντι-κουάρκ έχει μια διαφορετική γεύση από τα υπόλοιπα άλλα 4 κουάρκ και ως εκ τούτου δεν μπορεί να εξαυλωθεί με αυτά.

Ως γνωστόν τα μεσόνια έχουν βαρυονικό αριθμό μηδέν, γιατί το αντι-κουάρκ εξουδετερώνει τον βαρυονικό αριθμό του κουάρκ. Ως εκ τούτου το πεντακουάρκ, είναι τεχνητά μέρος της οικογένειας των βαρυονίων, με 4-1=3 κουάρκ, αλλά εξωτικό εάν υποτεθεί ότι το αντι-κουάρκ έχει μια διαφορετική "γεύση" ή " flavor" από τα άλλα κουάρκ.

Το κλασικό παράδειγμα ενός βαρυονίου είναι το πρωτόνιο , με δύο κουάρκ "πάνω" και ένα κουάρκ "κάτω". Γι' αυτό και το το πρωτόνιο συμβολίζεται σαν uud. Ομοίως, το νετρόνιο συμβολίζεται udd.

Το κλασικό παράδειγμα ενός μεσόνιου είναι το θετικό π-μεσόνιο, ή αλλιώς "pi +", με ένα κουάρκ πάνω και ένα  αντι-κουάρκ κάτω, αναφέρεται δε σαν (u d-bar).

Εκτός από το up και το down κουάρκ, άλλα γνωστά κουάρκ είναι το παράξενο (strange), το γοητευτικό (charme), το κορυφαίο (top) και το κατώτατο (bottom), που δίνουν συνολικά 6 γεύσεις κουάρκ. Οι διαφορετικοί συνδυασμοί των 6 γεύσεων των κουάρκ, που επιτρέπονται από το καθιερωμένο μοντέλο της ισχυρής αλληλεπίδρασης, την Κβαντική Χρωμοδυναμική (QCD), προκαλούν τα γνωστά υποατομικά σωματίδια.

Το νέο πεντακουάρκ έχει την εξής διαμόρφωση: uudd s-bar, όπου το s-bar (αντι-παράξενο κουάρκ) έχει μια διαφορετική γεύση, και ως εκ τούτου δεν μπορεί να εξουδετερωθεί με, τα άλλα u και d κουάρκ.

Το πεντακουάρκ επιτρέπεται από τους κανόνες της QCD, αλλά μέχρι τώρα, δεν υπήρξε καμιά πειραματική απόδειξη των πεντακουάρκ ακόμα κι αν υπήρξαν πολλές αναζητήσεις από τη δεκαετία του '70. Αυτό οδήγησε μερικούς ανθρώπους να αναρωτηθούν γιατί οι μαθηματικές λύσεις της QCD, που είναι πολύ δύσκολο να υπολογιστούν, να μην αυμπεριλάβουν τα πεντακουάρκ.

Τώρα που έχει βρεθεί ένα πεντακουάρκ, ελπίζουμε να μάθουμε περισσότερα γιατί οι λύσεις της QCD, δεν περιλαμβάνουν αυτό το σωματίδιο. Αυτό όμως θα τραβήξει σε μάκρος και θα χρειαστούν πολλές μελλοντικές θεωρητικές προσπάθειες.

Το κίνητρο για να παρατηρηθεί το πεντακουάρκ προήλθε από μια πολύ συγκεκριμένη πρόβλεψη από μια εργασία των Diakonov, Petrov και Polyakov (DPP). Ενώ αυτό το θεωρητικό τους μοντέλο είναι μόνο μια προσέγγιση της QCD, πρόβλεψαν ότι το πεντακουάρκ θα βρισκόταν με μια μάζα 1530 MeV μέσα σε ένα στενό εύρος ενέργειας (λιγότερο από 15 MeV). Η εργασία των DPP, φυσικά, φτιάχτηκε πάνω στις προηγούμενες θεωρητικές προόδους από άλλους ανθρώπους, αλλά το μοντέλο DPP ήταν αρκετά συγκεκριμένο στη πρόβλεψή του για τη μάζα του σωματιδίου. Έτσι αυτό παρακίνησε τους πειραματιστές να ψάξουν για αποδείξεις ότι υπάρχει αυτό το μόριο.

Τα πειραματικά στοιχεία, από 3 διαφορετικά εργαστήρια, εμφανίζουν σε όλες τις περιπτώσεις, μια οξύτατη αιχμή περίπου στα 1540 MeV με ένα πλάτος που περιορίζεται από την πειραματική ανάλυση. Το σήμα είναι μικρό, και ως εκ τούτου αυτό το πεντακουάρκ είναι δύσκολο να ανιχνευθεί, αλλά καθαρό με μια μεγάλη στατιστική σημασία.

Αυτές οι μετρήσεις είναι που βάζουν στον πειρασμό τους φυσικούς να θεωρούν σωστό το θεωρητικό μοντέλο DPP. Όμως απαιτούνται περισσότερες μετρήσεις για να καθορίσουν τις ιδιότητες του πεντακουάρκ. Παραδείγματος χάριν, το σπιν αυτού του σωματιδίου (που προβλέπεται να είναι 1/2) δεν έχει επιβεβαιωθεί ακόμα, αλλά θα το δείξουν τα μελλοντικά πειράματα.

Μια άλλη εξήγηση των πειραματικών αποτελεσμάτων θα μπορούσε να είναι μια κατάσταση "μορίου" μεσονίου-βαρυονίου, το οποίο θα είχε πιθανώς διαφορετική ιδιότητα από το σωματίδιο που προβλέπεται από τη θεωρία DPP. Άλλωστε ακόμη αναλύονται οι λεπτομέρειες των πειραμάτων.

Τα πειράματα, φυσικά, δεν εξαρτώνται από το θεωρητικό μοντέλο DPP που είναι σωστό, αλλά τα πειράματα είναι συνεπή προς τις προβλέψεις αυτού του μοντέλου αυτή τη στιγμή.