Στις αρχές της δεκαετίας του 1960 οι φυσικοί των σωματιδίων διαπίστωσαν ότι περιπλανιόνταν σε μια ζούγκλα. Αντιμετώπιζαν ένα αυξανόμενο πλήθος από σωματίδια που λέγονται αδρόνια τα οποία δεν μπορούσαν να ταξινομηθούν με κανένα από τα σχήματα που διέθεταν την εποχή εκείνη. Ο Murray Gell-Mann τελικά δάμασε αυτή την αδρονική ζούγκλα, προτείνοντας ότι όλα τα αδρόνια είναι φτιαγμένα από συνδυασμούς πιο στοιχειωδών σωματιδίων που λέγονται κουάρκς. Τα μεσόνια περιέχουν ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ, ενώ τα βαρυόνια περιέχουν τρία κουάρκς. Κάποιοι φυσικοί δυσκολεύτηκαν να χωνέψουν αυτή την τολμηρή ιδέα, αλλά μέσα σε 4 δεκαετίες, αυτά τα δύο σχήματα των μεσονίων και των βαρυονίων, μπόρεσε να ερμηνεύσει όλα τα νέα κουάρκς που εμφανίστηκαν στα πειράματα.   

Τώρα όμως, βρήκαμε ότι στον "κήπο" των αδρονίων, τον οποίο παρακολουθούμε πολύ στενά, άνθισαν και νέα εξωτικά άνθη. Πέρισυ, οι ερευνητές που εργάζονται στα πειράματα του LEP στο εργαστήριο SPring-8 στην Ιαπωνία, ανήγγειλαν την ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου, του θ⁺(1540), το οποίον δεν μπορεί να υπαχθεί ούτε στο σχήμα των μεσονίων, ούτε των αδρονίων (σχήμα 1). Οι φυσικοί κατά καιρούς έχουν κάνει διάφορες σκέψεις για τέτοια σωματίδια - για τα οποία ο αριθμός 1540 εκφράζει τη μάζα του σωματιδίου σε MeV. Πράγματι η πιθανότητα ύπαρξης ενός τέτοιου εξωτικού σωματιδίου προτάθηκε από τον Dmitri Diakonov και τους συνεργάτες του στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής του Petersburg, το 1997, αν και αυτοί βασίστηκαν σε μια διαφορετική εικόνα των αδρονίων από αυτή που περιγράφουμε εδώ. 

Τα αποτελέσματα του LEP επιβεβαιώθηκαν σύντομα από άλλα πειράματα, όπως το πείραμα CLAS στο εργαστήριο Jefferson της  Virginia, και το πείραμα  DIANA, στο εργαστήριο ITEP της Μόσχας. Σύντομα μετά από αυτό, το πείραμα NA49 στο CERN βρήκε ενδείξεις για μια οικογένεια βαρύτερων σωματιδίων, τα οποία εμφανίζονται ως οι εγγύτεροι συγγενείς του θ⁺, και τον Μάρτιο η συνεργασία  Η1 στο εργαστήριο DESY στο Αμβούργο, αντιλήφθηκε μια φευγαλέα ένδειξη αυτού που θα μπορούσε να είναι ένα ακόμη πιο εξωτικό ξαδελφάκι του νέου σωματιδίου. 

Οι βασικές ιδιότητες αυτών των σωματιδίων και ο τρόπος με τον οποίο σχηματίζονται, δεν είναι γνωστά. Στην πραγματικότητα, συνεχίζεται ακόμη η συζήτηση αν πράγματι υπάρχουν. Μια δημοφιλής εκδοχή είναι ότι τα νέα σωματίδια περιέχουν 4 κουάρκς και ένα αντικουάρκ, σε δέσμια κατάσταση. Αν η εικόνα αυτή είναι σωστή ή όχι, έχει να κάνει με τη δυνατότητα ύπαρξης τέτοιων πεντακουάρκς, και η περαιτέρω διερεύνηση του θέματος προσφέρει νέες προκλήσεις στη μελέτη των λεπτομερειών της ισχυρής αλληλεπίδρασης.  

Μια εξωτική πρόκληση

Ο καθένας συμφωνεί ότι η βασική θεωρία για την ισχυρή αλληλεπίδραση είναι μια κβαντική θεωρία πεδίου που είναι γνωστή ως κβαντική χρωμοδυναμική, η εν συντομία ως QCD. Η QCD είναι μια σπουδαία θεωρία για πολλούς λόγους. Πρώτον, είναι συμβιβαστή και με την ειδική σχετικότητα και με την κβαντομηχανική. Η κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED), και η επέκτασή της στο καθιερωμένο ηλεκτρασθενές μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, είναι επίσης μια  κβαντική θεωρία πεδίου. Η QED όμως είναι γνωστό ότι καταρρέει και καθίσταται ασυνεπής σε πολύ μικρές αποστάσεις. Η κβαντική θεωρία της βαρύτητας που προκύπτει από την γενική θεωρία της σχετικότητας, υποφέρει επίσης από το ίδιο μειονέκτημα, κατά χειρότερο μάλιστα τρόπο. Η QCD είναι μοναδική αφού δεν εμφανίζει αυτό το πρόβλημα, και ως εκ τούτου αποτελεί λογικά την πιο τέλεια θεωρία μας για τη φύση. 

Η QCD είναι επίσης μια όμορφη θεωρία. Οι εξισώσεις της έχουν επίσης ένα παράξενο βαθμό συμμετρίας, που λέγεται "αμετάβλητο σε χρωματικούς μετασχηματισμούς βαθμίδας", και ο οποίος καθορίζει με μεγάλη ακρίβεια τη δομή των εξισώσεων. Σαν συνέπεια, η QCD είναι καθορισμένη με εξαιρετική ακρίβεια. Σ' αυτήν, τα κουάρκς αλληλεπιδρούν μέσω γκλουονίων, και τα γκλουόνια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με καθορισμένο τρόπο. Ένας πολύ μικρός αριθμός παραμέτρων, δηλαδή μια παγκόσμια σταθερά σύζευξης και μια μια μάζα για κάθε είδος κουάρκ, καθορίζουν πλήρως την QCD. Δεν είναι δυνατόν να αλλάξουμε τις εξισώσεις της κατά οιονδήποτε τρόπο, χωρίς να καταστρέψουμε τη συμμετρία της και τελικά την αυτοσυνέπειά της. Αυτό σημαίνει ότι οι ποσοτικές προβλέψεις της QCD, οι οποίες βασικά καλύπτουν όλα τα φαινόμενα των ισχυρών αλληλεπιδράσεων, δεν αφήνουν περιθώρια για αμφισβήτηση. Δεν υπάρχουν παράγοντες προσφερόμενοι για τροποποιήσεις. 

Στην πειραματική πλευρά τώρα. Η QCD έχει κερδίσει την εμπιστοσύνη μας, περνώντας επιτυχώς χιλιάδες ισχυρούς ελέγχους. Για παράδειγμα, τα αποτελέσματα διαφορετικών ειδών πειραμάτων που περιλαμβάνουν εκατοντάδες ανεξάρτητων μετρήσεων, μπορούν όλα τους να ερμηνευτούν με συνέπεια από την QCD χρησιμοποιώντας μόνο την παράμετρο που περιγράφει την ισχύ της αλληλεπίδρασης (εικόνα 2). Μια άλλη αξιοσημείωτη επιτυχία της QCD είναι η πρόβλεψη της λεγόμενης "ασυμπτωτικής ελευθερίας", η οποία σημαίνει ότι η ισχύς της σύζευξης μεταξύ των κουάρκς και των γκλουονίων, πρέπει να ελαττώνεται στις υψηλές ενέργειες, ή ισοδύναμα, στις πολύ κοντινές αποστάσεις. Κάτι τέτοιο είναι σε αντίθεση με την σταθερά σύζευξης της QED, η οποία γίνεται μεγαλύτερη στις στις κοντινές αποστάσεις. 
 

Οι συγγραφείς:
Ο Robert Jaffe και ο  Frank Wilczek ανήκουν στο Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής του ΜΙΤ στη Μασσαχουσέτη.