|
|
|
Κουάρκς, δι-κουάρκς και πεντα-κουάρκς
|
1o, 2ο, 3ο,4ο,5ο,6οΠεντα-κουάρκς και ακόμη παραπέρα Έχοντας αυτά στο μυαλό μας3 για τα δι-κουάρκς, ας επιστρέψουμε στο ζήτημα των εξωτικών αδρονίων. Το γεγονός ότι τα κουάρκς έχουν πιο χαμηλή ενεργειακή στάθμη όταν τα σπιν τους και τα χρώματά τους συνδέονται κατά ιδιαίτερο τρόπο, σημαίνει ότι εναλλακτικοί συνδυασμοί από κουάρκς θα έχουν υψηλότερη ενέργεια. Οι συνδυασμοί αυτοί οδηγούν σε βαρύτερες και λιγότερο σταθερές διεγερμένες ενεργειακές καταστάσεις, ή ακόμα και σε καταστάσεις που διασπώνται σε άλλα βαρυόνια και μεσόνια τόσο γρήγορα ώστε δεν αφήνουν παρατηρήσιμα υπολείμματα. Φθάνουμε λοιπόν σε ένα χρήσιμο κριτήριο επιλογής: Μεταξύ όλων των λογικά δυνατών εξωτικών αδρονίων, αναμένουμε ότι εκείνα που περιέχουν την προτιμητέα συσχέτιση του δι-κουάρκ, έχουν τις περισσότερες πιθανότητες να επιζήσουν, και είναι συνεπώς πιο πιθανά να εμφανιστούν στα πειράματα. Για να το καταλάβουμε καλύτερα, ας θεωρήσουμε την περίπτωση των τετρα-κουάρκς, τα οποία περιέχουν δύο κουάρκς και δύο αντικουάρκς, qqq-barq-bar, σε οποιεσδήποτε γεύσεις των ελαφρών κουάρκς. Το παραπάνω κριτήριο επιλογής μας οδηγεί να αναμένουμε ότι η κατάσταση [ds][s-baru-bar], για παράδειγμα, είναι μια βιώσιμη κατάσταση ενώ η ssu-baru-bar δεν είναι γιατί δεν περιέχει δι-κουάρκς. Χωρίς όμως την δυνατότητα να διεισδύσουμε στο εσωτερικό αυτής της ασταθούς κατάστασης, είναι δύσκολο να ξεχωρίσουμε την [ds][s-baru-bar] από μια διεγερμένη κατάσταση du-bar, όπως για παράδειγμα συμβαίνει σε ορισμένα π+ ή ρ+ . Η κατάσταση είναι τελείως διαφορετική για τον συνδυασμό ssu-baru-bar, την οποία δεν μπορεί να μιμηθεί κανένα ζευγάρι κουάρκ-αντικουάρκ. Όλα τα προτιμητέα τετρα-κουάρκς είναι παραδείγματα αυτών που αποκαλούμε κρυπτο-εξωτικά σε αντίθεση με αυτά που εκδηλώνονται ως εξωτικά. Αυτά που αποκαλούμε εξωτικά έχουν κβαντικούς αριθμούς, όπως φορτίο και σπιν, που δεν μπορούν να παραχθούν από απλούς συνδυασμούς όπως π.χ. qq-bar (μεσόνια) η qqq (βαρυόνια). Το απλούστερο παράδειγμα ενός τέτοιου σωματιδίου είναι το uud-bard-bar, που έχει ηλεκτρικό φορτίο +2. Είναι εύκολο να εξετάσουμε τις διάφορες δυνατότητες και να δούμε ότι κανένα qq-bar μεσόνιο δεν μπορεί να έχει φορτίο +2. (Φορτίο +2 επιτυγχάνεται στα βαρυόνια, αλλά αυτά δεν συγχέονται με τα μεσόνια.) Αντίθετα, ένα κρυπτο-εξωτικό, είναι ένα αδρόνιο που δεν έχει κανένα εξωτικό κβαντικό αριθμό, αλλά δεν έχει και δομές σαν των μεσονίων και των βαρυονίων. Οι πειραματικές "υπογραφές" αυτών των κρυπτο-εξωτικών σωματιδίων, είναι πολύ λιγότερο δραματικές από αυτές των έκδηλα εξωτικών, και απαιτούν θεωρητική ερμηνεία.
Πράγματι, πολλοί θεωρητικοί ισχυρίζονται εδώ και κάμποσα χρόνια, ότι μια κατηγορία μεσονίων, - η αποκαλούμενη βαθμωτή nonet - περιγράφεται πιο καλά αν χρησιμοποιήσουμε το μοντέλο των κρυπτο-εξωτικών σωματιδίων, και ιδιαίτερα τα κρυπτο-εξωτικά τετρα-κουάρκς. Βλέπε εικόνα 4. Τόσο το ότι δεν έχουμε παρατηρήσει τα δηλωμένα εξωτικά τετρα-κουάρκς, όσο και η πιθανή ύπαρξη των κρυπτο-εξωτικών τετρα-κουάρκς συμφωνούν με τις προβλέψεις που στηρίζονται στα δι-κουάρκς. Πριν να ερμηνεύσουμε μεγαλύτερους συνδυασμούς από κουάρκς, - δι-βαρυόνια και πεντα-κουάρκς - χρειάζεται να γνωρίσουμε μια τελική ιδιότητα των δι-κουάρκς: όταν δύο δι-κουάρκς αλληλοεπικαλύπτονται ισχυρά στο χώρο, συμβάλλουν μεταξύ τους. Αυτό συμβαίνει διότι δυο δι-κουάρκς πάντα περιέχουν τουλάχιστον δύο κουάρκς της ίδιας "γεύσης", και η απαγορευτική αρχή του Pauli εμποδίζει αυτά τα σωματίδια να διατηρήσουν τους αρχικούς συνδυασμούς τους ως δι-κουάρκς. Ο κανόνας αυτός δεν είναι αυστηρός, γιατί τα κουάρκς μπορούν να έχουν διαφορετικούς κβαντικούς αριθμούς σπιν και χρώματος, αλλά δύο δι-κουάρκς εξακολουθούν να μην θέλουν να βρίσκονται πολύ κοντά το ένα με το άλλο. Αυτό έχει σημαντικές συνέπειες για το σχηματισμό των δι-βαρυονίων με τα έξι κουάρκς. Η εικόνα που τα περιγράφει απλά σαν ένα σάκκο, για παράδειγμα για το Η δι-βαρυόνιο, δεν συμβιβάζεται με τους προτεινόμενες συσχετίσεις των δι-κουάρκς. Κάτι τέτοιο θα το έκανε ασταθές. Επιπλέον, φαίνεται πιθανόν ότι η άπωση μεταξύ των δι-κουάρκς που βρίσκονται στα δύο ξεχωριστά νουκλεόνια - τα οποία περιέχουν ακόμα περισσότερα όμοια κουάρκς απ' ότι περιέχει το Η - θα μπορούσε ν' αποτελεί μια σημαντική συμβολή στην ισχυρή άπωση που συμβαίνει όταν κάποιος προσπαθεί να τα συνενώσει. Κατ' αυτόν τον τρόπο, η εικόνα των δι-κουάρκς θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί οι ατομικοί πυρήνες δεν καταρρέουν. Τελικά φτάνουμε και στα πεντα-κουάρκς της μορφής: qqqqq-bar. Αυτό το σχήμα περιλαμβάνει ειδικότερα τα δηλωμένα εξωτικά σχήματα: uudds-bar, uussd-bar ή ddssu-bar, και μια ομάδα κρυπτο-εξωτικών όπως τα: uuddu-bar. Η μορφή uudds-bar έχει ως βαρυονικό αριθμό, ηλεκτρικό φορτίο και "παραδοξότητα" την τιμή +1, πράγμα που ταιριάζει με το προφίλ του πρόσφατα ανακαλυφθέντος θ+(1540). Ο συνδυασμός ddssu-bar, από την άλλη πλευρά, έχει βαρυονικό αριθμό +1, ηλεκτρικό φορτίο -2 και παραδοξότητα -2, πράγμα που ταιριάζει με το προφίλ του Ξ--(1860) - ένα από τα σωματίδια που ανακαλύφθηκαν κατά το πείραμα NA49. Πως συμβιβάζονται όμως αυτά με την εικόνα των δι-κουάρκς; Η εικόνα των δι-κουάρκς μας οδηγεί να θεωρήσουμε το θ+(1540) ως αποτελούμενο από [ud][ud]s-bar και το Ξ--(1860) ως αποτελούμενο από [ds][ds]u-bar. Οι παρατηρούμενες μάζες των 1540 και 1860 MeV, αντίστοιχα, φαίνονται εύλογες από τη σκοπιά των δι-κουάρκς. Πράγματι, σκεπτόμενοι με βάση τα παραπάνω σχήματα των δι-κουάρκς, οι συγγραφείς του παρόντος άρθρου μπόρεσαν να προβλέψουν την ύπαρξη του Ξ--(1860) με μάζα κοντά στα 1860 MeV, πριν να γίνει η πειραματική παρατήρησή του. Η ερμηνεία των πεντα-κουάρκς με βάση τα δι-κουάρκς, έχει πολλές ελέγξιμες συνέπειες. Όπως αναφέραμε και πριν, χρειάζεται σημαντική παραπάνω ενέργεια για να γίνει η επικάλυψη των δι-κουάρκς. Για να αποφευχθεί κάτι τέτοιο, ένα από τα δι-κουάρκς πρέπει να βρίσκεται σε διαφορετικό τροχιακό από το άλλο, και ο πιο "φτηνός" ενεργειακά τρόπος για να επιτευχθεί αυτό είναι να δώσουμε μια μονάδα γωνιακής στροφορμής. Αν η εικόνα αυτή είναι σωστή, τότε ο κβαντικός αριθμός αντικατοπτρισμού ( πάριτυ) των πεντα-κουάρκς πρέπει να είναι θετική. Με άλλα λόγια, η κυματοσυνάρτησή τους παραμένει αναλλοίωτη όταν δούμε το σύστημα μέσα από ένα καθρέφτη. Επιπλέον η γωνιακή στροφορμή του δι-κουάρκ μπορεί να είναι είτε παράλληλη είτε αντιπαράλληλη με το σπιν του αντι-κουάρκ, δίνοντας μια συνολική τιμή στροφορμής είτε 3/2 είτε 1/2. Τελικά, θα περιμέναμε επίσης να παρατηρήσουμε αρκετά ακόμα κρυπτο-εξωτικά πεντα-κουάρκς, όπως π.χ. το ududdu-bar. Ένα προσεκτικό μέτρημα μας δίνει ότι υπάρχουν 15 κρυπτο-εξωτικά, και υπάρχουν ήδη πειραματικοί υποψήφιοι για κάποια από αυτά. Μια άλλη σημαντική άποψη της ερμηνείας των πεντα-κουάρκς με βάση τα δι-κουάρκς είναι η πρόβλεψη εκείνου που δεν θα δούμε ποτέ! Συνδυασμοί από 4 κουάρκς και 1 αντικουάρκ, μπορούν να μας δώσουν ακόμα πιο εξωτικούς κβαντικούς αριθμούς από αυτούς του θ+ ή του Ξ--. Για παράδειγμα, ο συνδυασμός uuuus-bar έχει ηλεκτρικό φορτίο +3 και παραδοξότητα +1, και ο συνδυασμός ssssu-bar έχει ηλεκτρικό φορτίο -2 και παραδοξότητα -4. Κανείς από αυτούς τους συνδυασμούς δεν είναι δυνατός με το μοντέλο των δι-κουάρκς. Πράγματι, οι μόνοι συνδυασμοί από: qqqqq-bar που επιτρέπουν τα δι-κουάρκς είναι οι δύο που έχουν ήδη αναφερθεί πειραματικά (δηλαδή του θ+ και του Ξ--) συν ένα τρίτο σωματίδιο που αποκαλείται Ξ+. Αυτό το σωματίδιο, συγγενικό του πεντα-κουάρκ Ξ-- , έχει τον συνδυασμό [su][su]d-bar και ως εκ τούτου πρέπει να υπάρχει, αν πιστοποιηθεί η ανακάλυψη του Ξ-- (1860). Ίσως, οι πιο ξεκάθαρες και πιο δραματικές προβλέψεις της εικόνας των δι-κουάρκς αφορούν εκείνα τα πεντα-κουάρκς που περιέχουν βαριά αντικουάρκς, όπως τα [ud][ud]c-bar και [ud][ud]b-bar. Όταν κανείς συγκρίνει τις εκτιμήσεις του για τις μάζες αυτών των σωματιδίων, με τις μάζες των σωματιδίων στα οποία πρέπει να διασπώνται κατόπιν ισχυρών αλληλεπιδράσεων, βρίσκει ότι η διάσπαση του [ud][ud]c-bar μόλις επιτρέπεται, ενώ το [ud][ud]b-bar είναι σχεδόν σταθερό. Ο μόνος τρόπος για να διασπαστεί αυτό είναι μέσω ασθενών αλληλεπιδράσεων, πράγμα που σημαίνει ότι το [ud][ud]b-bar μπορεί να είναι πάρα πολύ μακρόβιο για να αφήσει ίχνη κατά το πέρασμά του μέσα από έναν ανιχνευτή. Πολύ πρόσφατα, η συνεργασία του πειράματος H1 στο κέντρο DESY, ανήγγειλε ενδείξεις για ένα βαρύ βαρυόνιο, με κβαντικούς αριθμούς που απαιτούν μια δομή των κουάρκς, τουλάχιστον της μορφής uuddc-bar. Η μάζα αυτού του συντονισμού είναι υψηλή - περίπου 3099 MeV - και η κατάσταση αυτή ζει περισσότερο απ' ότι θα περίμενε κανείς για τέτοια μεγάλη μάζα. Η ερώτηση που προκαλεί τους ερευνητές είναι αν πρόκειται για μια εσωτερική διέγερση του βασικού συνδυασμού [ud][ud]c-bar; Ερευνητές που εργάζονται στο πείραμα H1 περιμένουν να δουν αν το αδελφό πείραμα ZEUS, θα πιστοποιήσει την ανακάλυψη. Το ZEUS όμως δεν έχει δει τίποτα τέτοιο μέχρι τώρα, έστω και αν έχει όμοια ευαισθησία με αυτή του H1. 1o, 2ο, 3ο,4ο,5ο,6ο |
