Κουάρκς, δι-κουάρκς και πεντα-κουάρκς
Μέρος 2ο

Άρθρο, από το περιοδικό Physics World, Ιούλιος 2004

1o, 2ο, 3ο,4ο,5ο,6ο

Ποιο είναι λοιπόν το πρόβλημα;

Απλά, οι εξισώσεις της QCD είναι πολύ δύσκολο να λυθούν. Οι πιο εκπληκτικές συνέπειές τους είναι ότι, ούτε τα κουάρκς, ούτε τα γκλουόνια μπορούν να εμφανιστούν απομονωμένα, Αντίθετα, παραμένουν μόνιμα περιορισμένα μέσα στα αδρόνια, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Αυτή η παράξενη ιδιότητα της QCD περιλαμβάνει περίπλοκη και μη γραμμική δυναμική. Ενώ υπάρχουν περιπτώσεις στις οποίες μπορούμε να κάνουμε ποσοτικές προβλέψεις κατευθείαν από τη θεμελιώδη θεωρία, όπως αυτές που φαίνονται στην εικόνα 2, υπάρχουν επίσης πολλές σημαντικές ερωτήσεις από φυσική άποψη, που δεν μπορούν ν' απαντηθούν με τον απλό αυτό τρόπο. 
 

Για να το πούμε πιο ξεκάθαρα: Μπορούμε να κάνουμε καλή δουλειά γύρω από προβλέψεις των ιδιοτήτων των κουάρκς με υψηλή ενέργεια και των γκλουονίων, καθώς και των νεφών από αδρόνια που αφήνουν πίσω τους. Είναι όμως δύσκολο να περιγράψουμε τον τρόπο με τον οποίο τα κουάρκς και τα γκλουόνια συνδέονται για να σχηματίσουν τα αδρόνια. Είναι δύσκολοι οι υπολογισμοί των μαζών και των ιδιοτήτων γνωστών σωματιδίων, όπως τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα πιόνια από πρώτες αρχές, και είναι ακόμα δυσκολότερο το έργο αυτό με τα διάφορα βαρυόνια και μεσόνια που είναι συγγενικά αυτών των σωματιδίων. Όσο για τους ατομικούς πυρήνες, δεν είχαμε καμιά απολύτως επιτυχία στον υπολογισμό των ιδιοτήτων τους από τις βασικές εξισώσεις της QCD.     

Εκμεταλλευόμενοι όμως τις δυνατότητες των υπερυπολογιστών, οι ερευνητές μπόρεσαν να υπολογίσουν τις  μάζες μερικών από τα πιο ελαφρά και απλά, ισχυρά αλληλεπιδρώντα σωματίδια (εικόνα 3). Οι υπολογισμοί α υτοί μας δίνουν βαθιές όψεις για τη φύση της μάζας της ύλης. Για παράδειγμα, τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν μάζες σχεδόν 1000 MeV, και είναι φτιαγμένα από up και down κουάρκς, τα οποία έχουν συνδυαστικά μάζα περίπου 20 MeV, και από γκλουόνια τα οποία έχουν ακριβώς μηδενική μάζα. Δυστυχώς όμως, οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται σ' αυτούς τους υπολογισμούς, είναι εξειδικευμένες, εύθραυστες και εξαιρετικά απαιτητικές σε υπολογιστική ισχύ. Μας επιτρέπουν να υπολογίσουμε μερικές ποσότητες με ακρίβεια, αλλά ως τώρα δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για άλλες ποσότητες.   

Εικόνα 1. Κατά το πρώτο πείραμα ανίχνευσης του πεντα-κουάρκ σωματιδίου θ⁺(1540), φωτόνια προσκρούουν σε πυρήνες και παράγουν θετικά  καόνια K⁺ (με περιεχόμενο σε κουάρκς us-bar), και ένα ανακρουόμενο νετρόνιο n(udd). Η κορυφή στο φάσμα μάζας του K⁺ (σχ.α) αντιστοιχεί σε μια μακρόβια κατάσταση (συντονισμό) με το εξωτικό περιεχόμενο σε κουάρκς uudds-bar. Αν δεν σχηματιζόταν το θ⁺(1540) το φάσμα θα είχε τη μορφή της πράσινης γραμμής του σχ. β. Το σχ.γ δείχνει τη φασματική ανάλυση μάζας κατά την ανακάλυψη του πεντα-κουάρκ Ξ^--1860). 

Η κατάσταση αυτή - μια όμορφη θεμελιώδης θεωρία που όμως είναι δύσκολο να εργαστούμε μ' αυτήν - είναι αρκετά συνηθισμένη στην επιστήμη. Ο Paul Dirac είχε παρατηρήσει για την QED ότι ήταν μια θεωρία που κάλυπτε όλη τη χημεία και το μεγαλύτερο μέρος της φυσικής. Υπάρχει κάποια αλήθεια σ' αυτά τα λόγια. Σε μερικές περιπτώσεις, όπως στη μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου, μπορούμε να υπολογίσουμε τις προβλέψεις της QED με ακρίβεια μερικών μερών ανά δισεκατομμύριο ή και καλύτερη ακόμα, και μετά να συγκρίνουμε αυτές τις προβλέψεις με τα πειράματα. Η συμφωνία τους είναι πολύ καλή. 

Η QED έχει επίσης πρακτικούς περιορισμούς. Η θεμελιώδης σταθερά σύζευξης της θεωρίας,  α ~ 1/137, είναι ασθενής, και αυτό μας επιτρέπει να υπολογίσουμε τις ιδιότητες απλών ατόμων και μορίων σαν μια σειρά δυνάμεων του α. Είμαστε λοιπόν αρκετά σίγουροι ότι μπορούμε να γράψουμε εξισώσεις που αν τις λύσουμε θα μας δώσουν το σχήμα και τις ιδιότητες ακόμα και τεράστιων μορίων. Αλλά αυτό είναι ένα μεγάλο "αν". Στην πράξη, ούτε η θεωρητική ούτε η πειραματική χημεία, έχουν εκτοπιστεί από τους υπερυπολογιστές που θα λύνουν τις εξισώσεις της QED. Αντίθετα, οι χημικοί έχουν αναπτύξει έννοιες όπως το χημικό σθένος και μοντέλα όπως οι παραστάσεις των μορίων με σφαίρες και ράβδους. Η συγγένεια μεταξύ αυτών των μοντέλων και της θεμελιώδους QED, δεν είναι όμως άμεση. 

Στην QCD η δυσκολία είναι ακόμη πιο μεγάλη. Δεν υπάρχει ένα χρήσιμο σχήμα διαδοχικών προσεγγίσεων, ένα αρχικό σημείο από το οποίο να ξεκινήσει κανείς και να προχωρήσει διαδοχικά σε νέες τάξεις μεγέθους για τη δομή των αδρονίων. Η ισχύς της σύζευξης που είναι το αντίστοιχο του α της QED, είναι μικρή σε μικρές αποστάσεις, αλλά μεγαλώνει γρήγορα καθώς προσεγγίζουμε τις αποστάσεις εκείνες στις οποίες δομούνται τα αδρόνια. Το μέγεθος του πρωτονίου για παράδειγμα, είναι η απόσταση στην οποία η ισχύς της σύζευξης μεταξύ των κουάρκς γίνεται τόσο μεγάλη, ώστε η αμοιβαία έλξη τους υπερνικά τη φυσική τάση των κβαντικών αντικειμένων που περιγράφονται ως κύματα, να διαχέονται. Αν οι θεωρητικοί της QED θέλουν να περιγράψουν τα αδρόνια, πρέπει να φτιάξουν μοντέλα από την αρχή. 

1o, 2ο, 3ο,4ο,5ο,6ο