Κουάρκς, δι-κουάρκς και πεντα-κουάρκς
Μέρος 3ο

Άρθρο, από το περιοδικό Physics World, Ιούλιος 2004

1o, 2ο, 3ο,4ο,5ο,6ο

Το μοντέλο των κουάρκς

Ένα περίφημο και πετυχημένο μοντέλο, το οποίο στην πραγματικότητα προηγείται της QCD, είναι το μοντέλο των κουάρκς. Όπως αναφέραμε και πριν, το μοντέλο αυτό επινοήθηκε για ν' ανταποκριθεί στην ανακάλυψη εκατοντάδων σωματιδίων στη δεκαετία του 1960. Το μοντέλο των κουάρκς δέχεται αξιωματικά ότι οι βασικές ποσότητες στην ισχυρή αλληλεπίδραση δεν είναι τα σωματίδια τα οποία παρατηρούμε άμεσα, αλλά τα κουάρκς και τα αντικουάρκς. Τα παρατηρήσιμα σωματίδια υποτίθεται ότι ακολουθούν ένα από τα παρακάτω δύο σχήματα. Συγκεκριμένα, τα μεσόνια σχηματίζονται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ, (συμβολίζονται με qq-bar),  ενώ τα βαρυόνια δομούνται από τρία κουάρκς qqq.   

είναι προσανατολισμένα κατά διάφορους τρόπους, και κάθε κουάρκ μπορεί επίσης να βρίσκεται σε διάφορα τροχιακά στο χώρο. Για παράδειγμα, κάθε συνδυασμός των γεύσεων των κουάρκς έχει μια κατάσταση ελάχιστης ενέργειας και ακολουθεί ένας πύργος από ανώτερες ενεργειακές καταστάσεις, περίπου όπως ένα συγκεκριμένο άτομο έχει μια θεμελιώδη κατάσταση και αρκετές διεγερμένες καταστάσεις. Κάνοντας απλές υποθέσεις για τις μάζες των κουάρκς και τις αλληλεπιδράσεις τους, το μοντέλο των κουάρκς μπορεί να μας δώσει ημι-ποσοτικά τις μάζες και τις ιδιότητες πολλών εκατοντάδων τέτοιων σταθμών υψηλοτέρων ενεργειών, που είναι γνωστές ως "συντονισμοί". 

Το μοντέλο των κουάρκς πετυχαίνει να μετατρέψει μια ζούγκλα πειραματικών δεδομένων σε ένα βολικό κήπο, αλλά η σχέση του με τη θεμελιώδη QCD χαρακτηρίζεται τουλάχιστον ως χαλαρή. Δεν μας εξασφαλίζει ένα αρχικό σημείο για μια συστηματική προσέγγιση της QCD, ούτε έναν αξιόπιστο τρόπο για να εκτιμήσουμε την απροσδιοριστία στις προβλέψεις της. Παρόλα αυτά, η QCD εξηγεί γιατί τα επιμέρους κουάρκς ή γκλουόνια δεν παρατηρούνται, διότι επιτρέπει μόνο εκείνες τις δομές όπου ο αριθμός των κουάρκς μείον τον αριθμό των αντικουάρκς είναι ίσος με ένα πολλαπλάσιο του τρία. Οι απλούστερες δυνατότητες είναι συνεπώς η qq-bar και η qqq, οι οποίες αντιστοιχούν στα μεσόνια και στα βαρυόνια σύμφωνα με το μοντέλο των κουάρκς. 

Ο κανόνας αυτός του "τρία" είναι μια γενίκευση της έννοιας των "αντιθέτων φορτίων", η οποία υπάρχει στην QED. Εκεί, τόσο το ηλεκτρόνιο, όσο και το πρωτόνιο είναι φορτισμένα ηλεκτρικά, αλλά τα φορτία τους είναι αντίθετα ώστε μπορούν να συνδυάζονται σε ηλεκτρικά ουδέτερα άτομα. Στην QCD ισχύει η ίδια αρχή: ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ μπορούν να σχηματίζουν μια χρωματικά ουδέτερη κατάσταση. Επιπλέον, τρία κουάρκς και τρία αντικουάρκς μπορούν επίσης να σχηματίσουν μια ουδέτερη κατάσταση. (ένας λόγος γιατί αποκαλούμε το φορτίο στην QCD χρώμα, είναι γιατί το κόκκινο, το μπλε και το πράσινο μπορούν να αναμιχθούν για να μας δώσουν το λευκό.) Σε βαθύτερο επίπεδο, όμως, οι πιο λεπτομερείς υποθέσεις για το μοντέλο των κουάρκς, δεν ταιριάζουν απόλυτα με τις έννοιες της QCD η οποία είναι μια αυστηρή κβαντική θεωρία πεδίου. 
 

Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία πεδίου, γκλουόνια και ζεύγη από ελαφρά κουάρκς και αντικουάρκς εκπέμπονται  αυθόρμητα και επαναποροφούνται από τα κουάρκς και τα γκλουόνια εντός των αδρονίων. 

Εικόνα 3. Οι μάζες των πιο ελαφρών αδρονίων συμφωνούν πολύ καλά με τις προβλέψεις της QCD. 

Όταν εξετάζουμε πρωτόνια, βομβαρδίζοντάς τα π.χ. με ηλεκτρόνια, βρίσκουμε ότι περιέχουν άφθονα γκλουόνια και ζεύγη από ελαφρά κουάρκς και αντικουάρκς. Στην πραγματικότητα περιέχουν άπειρο αριθμό από αυτά. Ακόμη και αν αγνοήσουμε αυτές τις κβαντικές διακυμάνσεις, και δεχτούμε τον "κανόνα του τρία", για τους συνδυασμούς κουάρκ-αντικουάρκ, πρέπει να αναρωτηθούμε πως γίνεται και διάφορους εξωτικούς σχηματισμούς όπως τα τετρα-κουάρκς (qqq-barq-bar) ή πεντα-κουάρκς (qqqqq-bar), οι οποίοι υπακούουν στον κανόνα του τρία, δεν τους συναντάμε στο φάσμα των αδρονίων;  

Ένα άλλο γνωστό και πολύ πετυχημένο μοντέλο, το οποίο μάλιστα είναι παλαιότερο και από το μοντέλο των κουάρκς και η επιτυχία του οποίου καθυστέρησε την πρόταση του μοντέλου των κουάρκς, είναι το παραδοσιακό μοντέλο του ατομικού πυρήνα. Στο μοντέλο αυτό, οι πυρήνες εικονίζονται σαν χαλαρά συνδεδεμένα σύνολα νουκλεονίων (πρωτόνια και νετρόνια), καθένα από τα οποία σύμφωνα με το μοντέλο των κουάρκς έχει τρία κουάρκς κλειδωμένα στο εσωτερικό του. Η επιτυχία αυτού του μοντέλου, μας αναγκάζει να προσθέσουμε ακόμη έναν επίκυκλο στο μοντέλο των κουάρκς, στο οποίο επιτρέπεται ένας πρακτικά άπειρος αριθμός από δέσμιες καταστάσεις των τριών κουάρκς εκάστη. Με άλλα λόγια, κοντά στις καταστάσεις qqq, πρέπει να προσθέσουμε και τις επιτρεπτές καταστάσεις  (qqq)ⁿ . 

Το παραδοσιακό πυρηνικό μοντέλο μας αναγκάζει να αναρωτηθούμε τι είναι αυτό που εμποδίζει δύο ξεχωριστούς "σάκκους" που περιέχουν από τρία κουάρκς ο καθένας, να συνενωθούν και να σχηματίσουν ένα "σάκκο" με έξι κουάρκς; Για ν' απαντήσουμε σ' αυτό το ερώτημα, χρειάζεται πρώτα να κατανοήσουμε την προέλευση της ισχυρής άπωσης μεταξύ των νουκλεονίων. Η άπωση αυτή είναι θεμελιώδους σημασίας στην συμβατική πυρηνική φυσική γιατί εμποδίζει συγχωνεύσεις που θα έκαναν τα επιμέρους νουκλεόνια να χάσουν την ταυτότητά τους. Πιο συγκεκριμένα, χρειάζεται να γνωρίζουμε γιατί το Η με δύο βαρυόνια, το οποίο θα είχε μια σύνθεση της μορφής uuddss, δεν παρατηρείται. Το άμεσο μοντέλο του "σάκκου με τα κουάρκς", μας λέει ότι το Η με δύο βαρυόνια έπρεπε να είναι σχετικά ελαφρύ, σταθερό και εύκολα παρατηρήσιμο, αλλά όμως δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ πειραματικά. 

Όπως γίνεται φανερό από τη συζήτηση αυτή, το θέμα των εξωτικών αδρονίων, φανερώνει βαθιές αδυναμίες στην παρούσα κατανόησή μας της ισχυρής αλληλεπίδρασης. Γιατί δεν παρατηρούμε περισσότερα σωματίδια που δεν συμμορφώνονται με τα σχήματα του μοντέλου των κουάρκς; Και αν υπάρχουν τέτοια εξωτικά σωματίδια, τι μορφή θα περιμέναμε να έχουν;

1o, 2ο, 3ο,4ο,5ο,6ο