Η σύζευξη των κουάρκς με τα μεσόνια αλλάζει τα νουκλεόνια

Πηγή: Physics News Update, Απρίλιος 2005

Το μοντέλο σύζευξης των κουάρκς με τα μεσόνια (μοντέλο QMC), είναι μια θεωρία που κάνει ένα ριζοσπαστικό βήμα, και προβλέπει αυτοσυνεπείς μεταβολές στη δόμηση ενός νουκλεονίου από κουάρκς, όταν το νουκλεόνιο βρίσκεται μέσα στον ατομικό πυρήνα. Το μοντέλο αυτό δέχεται ψευδονουκλεόνια που αλληλεπιδρούν καθώς συγκροτούν τον πυρήνα, μέσω δυνάμεων μεταξύ πολλών σωμάτων.

Το μοντέλο αυτό QMC, αμφισβητεί την επικρατούσα περιγραφή των πυρήνων εδώ και πολλές δεκαετίες σύμφωνα με την οποία η δομή του ίδιου του νουκλεονίου δεν μεταβάλλεται όταν αυτό βρίσκεται στον πυρήνα. 

Η συμβατική ιεραρχία της πυρηνικής ύλης στην πιο μικρή της κλίμακα είναι η εξής: Τα κουάρκς θεωρούνται στοιχειώδη. Τα νουκλεόνια είναι τα αμέσως μεγαλύτερα αντικείμενα, και αποτελούνται από 3 κουάρκς τα οποία συγκρατούνται μαζί με μια δύναμη που την μεταφέρουν τα σωματίδια - φορείς της δύναμης που λέγονται νουκλεόνια.  Στη συνέχεια, οι πυρήνες αποτελούνται από νουκλεόνια που συγκρατούνται μεταξύ τους με ανταλλαγές μεσονίων, τα οποία με τη σειρά τους αποτελούνται από δύο κουάρκς. Τα αμέσως επόμενα μεγέθη είναι των ατόμων, τα οποία αποτελούνται από ηλεκτρόνια (τα ηλεκτρόνια είναι μέλη μιας άλλης κατηγορίας σωματιδίων που λέγονται λεπτόνια) και περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα. Για κάθε ένα από αυτά τα επίπεδα, χρησιμοποιούμε και διαφορετικό μοντέλο περιγραφής. Με άλλα λόγια, δεν υπάρχει μια ενιαία θεωρία που να δουλεύει σε όλα τα επίπεδα κλίμακας. Χρειαζόμαστε διαφορετικές θεωρίες, καθεμιά από τις οποίες έχει πολύ περιορισμένη ισχύ έξω από την κλίμακα για την οποία έχει φτιαχτεί. 

Για παράδειγμα, σε πειράματα πολύ υψηλών ενεργειών (πολλά GeV) στα οποία μπορούμε να δούμε  μεμονωμένα κουάρκς εντός των νουκλεονίων, είναι συνηθισμένο να αντιμετωπίζουμε την πυρηνική ύλη σαν μια συγκέντρωση από κουάρκς που αλληλεπιδρούν με ανταλλαγές γκλουονίων. Σε χαμηλότερες ενέργειες, όπου η διακριτική μας ικανότητα είναι μικρότερη και δεν μπορούμε να δούμε λεπτομέρειες εντός των νουκλεονίων, θεωρούμε την πυρηνική ύλη σαν μια συγκέντρωση νουκλεονίων που αλληλεπιδρούν με ανταλλαγή μεσονίων. 

Στην πραγματικότητα, ακόμη και στην πιο χαμηλή περιοχή ενεργειών, κανείς θα πρέπει να σκέφτεται την ύπαρξη των κουάρκς, γιατί η κίνησή τους εντός ενός νουκλεονίου μπορεί να μεταβάλλεται όταν το νουκλεόνιο κατοικεί μέσα σε ένα πυρήνα. Το νουκλεόνιο δηλαδή είναι άλλο πράγμα όταν βρίσκεται μόνο του, και άλλο πράγμα όταν βρίσκεται μέσα στον πυρήνα. Στην τελευταία αυτή περίπτωση θεωρείται ως "ψευδονουκλεόνιο". 

Αυτό ακριβώς είναι που λαμβάνει υπ' όψιν του το μοντέλο QMC καθώς περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ενός κουάρκ εντός ενός νουκλεονίου, με ένα άλλο κουάρκ εντός άλλου νουκλεονίου κ.ο.κ. Η εικόνα του πυρήνα που προκύπτει με τη θεώρηση αυτή, είναι η εικόνα ψευδονουκλεονίων που αλληλεπιδρούν μέσω δυνάμεων μεταξύ 2, 3 ή ακόμα και 4 σωμάτων. 

Η ανάγκη για τέτοιες δυνάμεις μεταξύ πολλών σωμάτων ήταν γνωστή εμπειρικά από την παραδοσιακή πυρηνική φυσική, και το μερίδιο συνεισφοράς του μοντέλου QMC είναι ότι εξηγεί την προέλευση αυτών των δυνάμεων και προβλέπει την έντασή τους. Με τον τρόπο αυτό αποκτούμε μια πιο ρεαλιστική περιγραφή, ιδιαίτερα στα όρια μεταξύ της περιοχής των υψηλών ενεργειών (περιοχή της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων) και της περιοχής των χαμηλών ενεργειών (όπου εφαρμόζεται η πυρηνική φυσική). 

Η θεωρία QMC έχει υποβληθεί σε διάφορους πειραματικούς ελέγχους, εδώ και μερικά χρόνια. Για παράδειγμα, έχει αποδειχτεί χρήσιμη για την εξήγηση των μεταβολών στη μάζα των αδρονίων στην συμπυκνωμένη ύλη, ενώ υπάρχουν και ενδείξεις από εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις του λόγου του ηλεκτρικού προς τον μαγνητικό παράγοντα δομής ενός πρωτονίου δέσμιου μέσα σε πυρήνα ηλίου. Οι μετρήσεις έγιναν στο Mainz της Γερμανίας και στο εργαστήριο Jefferson στις ΗΠΑ, και υποστηρίζουν τις μικρές μεταβολές του πρωτονίου που προβλέπει η θεωρία. 

Τώρα οι δημιουργοί του μοντέλου QMC, οι  Pierre Guichon (στο Saclay της Γαλλίας) και Tony Thomas (στην Adelaide της Αυσραλίας και τώρα επικεφαλής στο εργαστήριο Jefferson), πιστεύουν ότι η νεότερη έκδοση του μοντέλου τους θα βοηθήσει πραγματικά στην ερμηνεία των δεδομένων που προέρχονται από πειράματα συγκρούσεων βαρέων ιόντων, τα οποία στοχεύουν να δημιουργήσουν μια κατάσταση πλάσματος από κουάρκς και γκλουόνια. 

Αναφορά: (άρθρο στο περιοδικό Physical Review Letters Σεπτέμβριος 24, 2004)