Κουάρκς, δι-κουάρκς και πεντα-κουάρκς
Μέρος 6ο

Άρθρο, από το περιοδικό Physics World, Ιούλιος 2004

1o, 2ο, 3ο,4ο,5ο,6ο

Μελλοντικές κατευθύνσεις

Ακόμη και από αυτή τη μικρή επισκόπηση γίνεται σαφές ότι το φαινόμενο των πεντα-κουάρκς - ή η έλλειψή του - δεν πρέπει να αντιμετωπιστεί σαν ένα μεμονωμένο αξιοπερίεργο. Είναι μέρος του ζητήματος ύπαρξης των εξωτικών σωματιδίων, το οποίο με τη σειρά του είναι κεντρικό για την πρόοδό μας στην κατανόηση της ισχυρής αλληλεπίδρασης. Τα πεντα-κουάρκς θα μπορούσαν ίσως να μας κάνουν να εγκαταλείψουμε το παραδοσιακό μοντέλο των κουάρκς και να ψάξουμε για πιο εξεζητημένους τρόπους περιγραφής του φάσματος των αδρονίων. 

Η πιο επείγουσα ανάγκη όμως είναι να ξεκαθαρίσουμε την πειραματική κατάσταση, γιατί κανένα από τα πειράματα που έχουν αναφέρει ενδείξεις των πεντα-κουάρκς, δεν είχε σχεδιαστεί ειδικά για τη μελέτη τέτοιων σωματιδίων. Χρειάζεται να αναλάβουμε μια έρευνα στην περιοχή των ελαφρών κουάρκς (περιοχή μαζών γύρω στα 1400-2100 MeV0 και "γεύσεων" που ν' αντιστοιχούν σε παραδοξότητα μεταξύ -2 και +1), και να κάνουμε αξιόπιστες μετρήσεις της πάριτυ και του σπιν, για όλα τα σωματίδια που έχουν βρεθεί. Είναι επίσης σημαντικό, όπως έχουμε ήδη τονίσει, να εξερευνήσουμε συστήματα με βαριά κουάρκς. 

Από θεωρητικής πλευράς, είναι σημαντικό να ενισχύσουμε τους δεσμούς με την ισχυρή θεωρία της QCD. Όπως είδαμε, η μόνη γενική ποσοτική προσέγγιση στην επίλυση των εξισώσεων της QCD, περιλαμβάνει ακραίες απαιτήσεις σε υπολογιστική ισχύ. Έτσι πρέπει να συμπεριφερθούμε έξυπνα και να θέτουμε ερωτήσεις που να μπορούν να απαντηθούν. Ένας άμεσος στόχος για παράδειγμα, είναι να ψάξουμε για θ και Ξ πεντα-κουάρκς, σε ακριβείς και ισχυρούς υπολογισμούς στην QCD σε υπόβαθρο πλέγματος. Από τέτοιους υπολογισμούς μπορούν να προβλεφθούν οι μάζες των σωματιδίων. 

Η ιδέα του δι-κουάρκ μας οδηγεί να αναμένουμε ένα πολύ χαρακτηριστικό σύνολο σωματιδίων, αλλά υπάρχουν επίσης και ανταγωνιστικά μοντέλα που προβλέπουν διαφορετικά σύνολα σωματιδίων, και μάλιστα περισσότερο πολυάριθμα. Όλα τα μοντέλα όμως κάνουν συγκεκριμένες προβλέψεις για τους συνδυασμούς των κουάρκς μέσα στα πεντα-κουάρκς, και αυτές οι πληροφορίες μπορούν να καθοδηγήσουν και να ερμηνεύσουν τους υπολογισμούς. Για τεχνικούς λόγους είναι πιθανόν ευκολότερο να μελετήσουμε πεντα-κουάρκς με ένα βαρύ αντικουάρκ. Θα ήταν θρίαμβος για τη θεωρητική φυσική, αν η θεμελιώδης θεωρία μας έδινε αριθμητικές προβλέψεις, οι οποίες επιβεβαιώνονταν στα πειράματα. Το πρόσφατο όμως πείραμα Η1 λέει μάλλον ότι οι πειραματικοί προηγούνται.  

Η συζήτησή μας για εξωτικά σωματίδια στάθηκε μάλλον σε επιλεγμένα σημεία, σε εκείνα που σχετίζονται αποκλειστικά με τα κουάρκς. Ένας άλλος κόσμος θεμάτων και φαινομένων πηγάζει από τα γκλουόνια, g, που είναι τουλάχιστον το ίδιο θεμελιώδη με τα κουάρκς. Για παράδειγμα, υπάρχουν άραγε σωματίδια από γκλουόνια; "μπαλίτσες" γκλουονίων αποτελούμενες από σχηματισμούς gg; Τι θα λέγαμε για υβρίδια φτιαγμένα από συνδυασμούς qq-barg; 

Ακόμα παραπέρα, προσπεράσαμε χωρίς να αναφερθούμε, την περίεργη δυνατότητα χαλαρά συνδεδεμένων αδρονίων, υπό μορφήν αντίστοιχη των "μορίων". Οι σχηματισμοί αυτοί θα έμοιαζαν με το πνεύμα των χαλαρά συνδεδεμένων πυρήνων αλλά θα δομούνταν από διαφορετικούς δομικούς λίθους. Πρόσφατα είχαμε κάποιες θεαματικές πειραματικές ανακαλύψεις στο πεδίο αυτό, όπως το D_s(2317) στοt Stanford και το X(3872) στο KEK. Αλλά τα θέματα αυτά ξεφεύγουν από το σκοπό του παρόντος άρθρου. 
 

Παράθεμα: Τα βασικά της QCD 
 

Η κβαντική χρωμοδυναμική (QCD) είναι η θεωρία της ισχυρής αλληλεπίδρασης η οποία συνδέει τα πρωτόνια και τα νετρόνια ώστε να σχηματίσουν ατομικούς πυρήνες. Οι δομικοί λίθοι της QCD είναι όμοιοι με αυτούς της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής (QED), αν και οι συνέπειες των δύο αλληλεπιδράσεων είναι τελείως διαφορετικές. Τα βασικά συστατικά της QCD είναι τα κουάρκς και τα γκλουόνια, τα οποία είναι ανάλογα με τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια της QED. Τα κουάρκς είναι φερμιόνια με σπιν 1/2 σαν τα ηλεκτρόνια, και τα γκλουόνια είναι άμαζα μποζόνια με σπιν 1, με δύο δυνατές καταστάσεις πόλωσης σαν τα φωτόνια. Υπάρχουν 6 "γεύσεις" στα κουάρκς, καθεμιά από τις οποίες έχει διαφορετική μάζα. Τα τρία ελαφρά κουάρκς λέγονται επάνω (u), κάτω (d), και παράξενο (s), ενώ τα τρία βαριά κουάρκς λέγονται: γοητεία (c), βυθός (b) και κορυφή (t). Τα κύρια χαρακτηριστικά στα πεντα-κουάρκ δείχνουν μέχρι τώρα την ύπαρξη των ελαφρών κουάρκς. 

Επιπρόσθετα προς τη γεύση, τα κουάρκς έχουν και έναν άλλο κβαντικό αριθμό, γνωστό ως χρώμα, ο οποίος δεν έχει να κάνει με το γνωστό μας χρώμα των σωμάτων. Οι θεωρητικοί συνηθίζουν να χρησιμοποιούν γνωστά ονόματα για αφηρημένες έννοιες. Κάθε κουάρκ μπορεί να έχει τρία χρώματα - κόκκινο, πράσινο και μπλε - αλλά το κρίσιμο σημείο είναι ότι τα γκλουόνια έχουν επίσης χρώμα, σε αντίθεση με τα φωτόνια που δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο. Αυτό σημαίνει ότι τα γκλουόνια μπορούν να αλληλεπιδρούν με άλλα γκλουόνια. 

Η εικόνα αριστερά δείχνει ένα κόκκινο κουάρκ και ένα πράσινο κουάρκ να αλληλεπιδρούν ανταλλάσσοντας ένα γκλουόνιο που φέρει τα κατάλληλα χρώματα, ενώ η εικόνα στα δεξιά δείχνει δύο γκλουόνια που αλληλεπιδρούν με ανταλλαγή ενός γκλουονίου. Η εικόνα δείχνει πως διατηρείται το χρώμα στις διαδικασίες αυτές. 

Το γεγονός ότι το γκλουόνιο μπορεί να αλληλεπιδρά με τον εαυτό του, σημαίνει ότι η ισχυρή δύναμη γίνεται ασθενής στις πολύ μικρές αποστάσεις και ισχυρή στις μεγαλύτερες αποστάσεις. Αυτό έχει δραματικές συνέπειες για τον κόσμο μέσα στον οποίο ζούμε: Σημαίνει ότι τα κουάρκς και τα γκλουόνια είναι μόνιμα παγιδευμένα εντός των αδρονίων όπως είναι τα πρωτόνια και τα νετρόνια, και δεν εμφανίζονται ποτέ απομονωμένα. Η πλήρης δυναμική αυτού του περιορισμού των κουάρκς δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητή. Το ίδρυμα Clay προσφέρει 1.000.000 δολάρια σε όποιον μπορέσει να δώσει μια μαθηματική απόδειξη αυτού του περιορισμού των κουάρκς. Φαίνεται όμως ότι το κενό απωθεί τις δυναμικές γραμμές του χρώματος, κατά τον ίδιο τρόπο που η θεμελιώδης κατάσταση ενός υπεραγωγού απωθεί και εκβάλλει τις δυναμικές γραμμές ενός μαγνητικού πεδίου από το σώμα του υπεραγωγού. Αυτό σημαίνει ότι οι πηγές του χρώματος (όπως είναι τα κουάρκς), αναγκάζονται να ζήσουν μέσα σε μικρούς "σάκους". Το κύριο μέρος της μάζας ενός αδρονίου προέρχεται από την κβαντική διακύμανση της ενέργειας μηδενικού σημείου των περιορισμένων κουάρκς και γκλουονίων. 

Μόνο συνδυασμοί των κουάρκς στους οποίους η διαφορά του αριθμού των κουάρκς και του αριθμού των αντικουάρκς είναι πολλαπλάσιο του τρία, επιτρέπονται. Τα απλούστερα αδρόνια είναι συνεπώς τα μεσόνια που είναι φτιαγμένα από ένα ζυγάρι κουάρκ και αντικουάρκ, και τα βαρυόνιαπου είναι φτιαγμένα από τρία κουάρκς (όπου η διαφορά ισούται με τρία.)

1o, 2ο, 3ο,4ο,5ο,6ο