|
|
|
Κουάρκς, δι-κουάρκς και πεντα-κουάρκς
|
1o, 2ο, 3ο,4ο,5ο,6οΔι-κουάρκς Πιστεύουμε ότι οι απαντήσεις σ' αυτές τις ερωτήσεις βρίσκονται σε μια προσεκτική θεώρηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των κουάρκς. Το παραδοσιακό μοντέλο των κουάρκς μεταχειρίζεται τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κουάρκς ως δευτερογενείς, ή ως μια διαταραχή για να είμαστε πιο ακριβείς. Στην QCD κάτι τέτοιο δικαιολογείται στις υψηλές ενέργειες, ή στις πολύ μικρές αποστάσεις, αλλά όχι γενικά. Πράγματι, οι θεμελιώδεις εξισώσεις της QCD μας δίνουν μόνο κάποιες ειδικές ιδιότητες της αλληλεπίδρασης των κουάρκς. Για παράδειγμα, η δύναμη μεταξύ δύο κουάρκς είναι ελκτική όταν και τα χρώματα και τα σπιν καθενός κουάρκ είναι διαφορετικά, ή για να είμαστε πιο ακριβείς, αντισυμμετρικά. Όταν δύο κουάρκς σχετίζονται με τον τρόπο αυτόν, σχηματίζουν έναν ειδικό σχηματισμό χαμηλής ενέργειας, ο οποίος λέγεται δι-κουάρκ. Οι συσχετισμοί αυτοί γίνονται πιο ισχυροί όταν περιλαμβάνουν τα ελαφρά κουάρκς (u, d και s), και είναι πιο εμφανείς για τα u και d κουάρκς, παρά για τα s κουάρκς. Ως αποτέλεσμα, τα δι-κουάρκς σχηματίζονται σε τρεις εκδόσεις: [ud], [us], and [ds], όπου οι αγκύλες συμβολίζουν την αντισυμμετρικότητα των κυματοσυναρτήσεων των κουάρκς. Τα δι-κουάρκς δεν πρέπει να θεωρούνται σωματίδια από μόνα τους. Αν και περιέχουν δύο κουάρκς, δεν είναι χρωματικά ουδέτερα και ως εκ τούτου δεν υπάρχουν σε απομονωμένες δέσμιες καταστάσεις. Αντίθετα ευρίσκονται στο εσωτερικό των αδρονίων ως σύνθετες ποσότητες μεγέθους περίπου 1 fm, πάνω κάτω δηλαδή στο μέγεθος των αδρονίων. Τα δι-κουάρκς είναι οι έννοιες των δομικών στοιχείων, που μας δίνουν μια χρήσιμη αρχή διάταξης των σημαντικότερων καταστάσεων στο αδρονικό φάσμα. Μια παρόμοια έννοια είναι γνωστή στη χημεία: ηλεκτρόνια με αντίθετο σπιν σχηματίζουν ζεύγη, και είναι συχνά χρήσιμο να σκεφτόμαστε τα ζεύγη των ηλεκτρονίων ως χαλάρές δέσμιες δομικές μονάδες εντός των ατόμων και των μορίων. Υπάρχουν αρκετές ενδείξεις που μας δείχνουν ότι τα δι-κουάρκς παίζουν σημαντικό ρόλο στη δομή των αδρονίων. Ίσως η πιο άμεση ένδειξη προέρχεται από τη μελέτη των βαρυονίων που περιέχουν ένα βαρύ και δύο ελαφρά κουάρκς. Επειδή το βαρύ κουάρκ είναι σχετικά αδρανές, κανείς μπορεί να εξάγει τις ιδιότητες των διαφόρων σχηματισμών των ελαφρών κουάρκς, μελετώντας το φάσμα του αδρονίου. Το δι-κουάρκ μοιάζει να προτιμάται ενεργειακά όπου και να κοιτάξουμε. Η ενέργεια σύνδεσης του δι-κουάρκ [ud] στο οποίο τα σπιν είναι αντισυμμετρικά, είναι περίπου 200 MeV μεγαλύτερη από την εναλλακτική κατάσταση (ud), στην οποία τα σπιν είναι συμμετρικά. Ο ίδιος διαχωρισμός μαζών είναι επίσης υπεύθυνος για το φάσμα των βαρυονίων που αποτελούνται από τριάδες κουάρκς uds. Το κουάρκ γοητεία (charm) είναι το βαρύτερο από τα κουάρκς για τα οποία έχουμε αρκετά δεδομένα, αλλά οι μετρήσεις του φάσματος για την τριάδα udb στα πειράματα που αποκαλούνται εργοστάσια παραγωγής Β, όπως είναι το BaBar στο SLAC και το Belle στο KEK, σύντομα θα μας ελέγξουν αν αυτή η φασματοσκοπική κανονικότητα εμφανίζει συνέπεια. Υπάρχουν επίσης εντυπωσιακές δυναμικές εκδηλώσεις της ύπαρξης των δι-κουάρκς. Μια από αυτές είναι ένα φαινόμενο που ανακαλύφθηκε σε πειράματα βαθιάς ανελαστικής σκέδασης, τα οποία διερευνούν την εσωτερική δομή των νουκλεονίων κατά τον ίδιο τρόπο που η διάθλαση των ακτίνων Χ διερευνά τη μοριακή δομή. Μια κλασσική σειρά τέτοιων πειραμάτων που εκτελέστηκε στο SLAC στις δεκαετίες του 1960 και 1970, ήταν κρίσιμη για να πεισθούν οι ερευνητές ότι έβλεπαν κουάρκς μέσα στα νουκλεόνια. Αποδεικνύεται όμως ότι τα αποτελέσματα αυτά μπορούν να κατανοηθούν μόνο αν χρησιμοποιηθεί η έννοια του δι-κουάρκ. Έτσι μπορεί να πει κανείς ότι οι ερευνητές στο SLAC ανακάλυψαν συγχρόνως και τα κουάρκς και τα δι-κουάρκς! Για να δούμε γιατί, πρέπει να καταλάβουμε τι συμβαίνει όταν τα ηλεκτρόνια σκεδάζονται από τα νουκλεόνια. Στα πειράματα αυτά το ηλεκτρόνιο χτυπάει μεμονωμένα κουάρκς, τα οποία δεν καταστρέφονται και συνεπώς προκαλούν ανάκρουση στο ηλεκτρόνιο. Παρεπιμπτόντως, η ανάκρουση αυτή δείχνει ότι σχεδόν όλη η ενέργεια του νουκλεονίου είναι συγκεντρωμένη σε ένα μοναδικό κουάρκ. Ακόμα παραπέρα, τα γεγονότα αυτά είναι 4 φορές πιο πιθανά με πρωτόνια, παρά με νετρόνια. Αυτό μπορούμε να το καταλάβουμε αν το κουάρκ που χτυπήθηκε είναι πάντα ένα u κουάρκ στην περίπτωση του πρωτονίου και ένα d κουάρκ στην περίπτωση του νετρονίου. Επειδή το u κουάρκ έχει ηλεκτρικό φορτίο 2/3 και το d κουάρκ έχει ηλεκτρικό φορτίο -1/3, και επειδή η σκέδαση των ηλεκτρονίων είναι ανάλογη προς το τετράγωνο του φορτίου, αυτό θα εξηγούσε τον παράγοντα 4! Θα πρέπει να θυμόμαστε ότι όλα αυτά έγιναν πριν διατυπωθεί η θεωρία QCD, σε χρόνο που η φυσική ύπαρξη των κουάρκς γινόταν πιστευτή από λίγους μόνο ανθρώπους. Η ερμηνεία όμως αυτή αντικαθιστά ένα αίνιγμα με ένα άλλο. Αφού το πρωτόνιο είναι φτιαγμένο από uud συν γκλουόνια συν ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ, γιατί θα πρέπει να συνεισφέρουν μόνο τα u κουάρκς; Εδώ είναι που υπεισέρχονται τα δι-κουάρκς. Όταν ένα κουάρκ μεταφέρει όλη σχεδόν την ενέργειά του στο νουκλεόνιο, το "υλικό" που απομένει πρέπει να βρίσκεται στην πιο χαμηλή κατά το δυνατόν ενεργειακή κατάσταση. Με άλλα λόγια, τα δύο κουάρκς που απομένουν πρέπει να σχηματίζουν ένα δι-κουάρκ [ud]. Ως αποτέλεσμα, και το u και το d κουάρκ αναλώνονται, κι έτσι το ενεργητικό κουάρκ μπορεί να είναι είτε το u για το πρωτόνιο, είτε το d για το νετρόνιο. Ένα άλλο πειστικό φαινόμενο για τα δι-κουάρκ, αφορά τα λεγόμενα Λ και Σ βαρυόνια, τα οποία παράγονται στα "σύννεφα" των αδρονίων που παράγονται πίσω από κουάρκς που κινούνται γρήγορα. Τα κουάρκς ιονίζουν δραστικά το κενό και παράγονται ζεύγη από κουάρκ-αντικουάρκ, τα οποία στη συνέχεια οργανώνονται σε συνηθισμένα σωματίδια όπως τα μεσόνια και τα βαρυόνια. Για να σχηματιστεί ένα βαρυόνιο από σύνδεσςη τριών κουάρκς, θα βοηθούσε αν τα κουάρκς σχημάτιζαν πρώτα μια σταθερή κατάσταση δι-κουάρκ. Τα Λ και Σ αποτελούνται από ένα συνδυασμό από u, d και s κουάρκς, αλλά το Λ περιέχει το δι-κουάρκ [ud], ενώ το Σ όχι. Αυτό μας κάνει να περιμένουμε ότι τα Λ βαρυόνια θα είναι πιο συνηθισμένα από τα Σ βαρυόνια, πράγμα το οποίο συμβαίνει. Τα Λ είναι κυριαρχούν των Σ κατά ένα παράγοντα 10. 1o, 2ο, 3ο,4ο,5ο,6ο |