«Τρία κουάρκ για τον Muster Mark!», Έγραψε ο Τζέιμς Τζόις στο λαβυρινθικό μύθο του,Το ξύπνημα του Finnegan. Μέχρι τώρα, μπορεί να έχετε ακούσει αυτό το απόσπασμα - τη σύντομη, ανόητη πρόταση που τελικά έδωσε το όνομα "κουάρκ" στα πιο θεμελιώδη δομικά στοιχεία του Σύμπαντος (ως - ωστόσο - αξεπέραστα). Οι σημερινοί φυσικοί πιστεύουν ότι κατανοούν τα βασικά του πώς συνδυάζονται τα κουάρκ. Τρεις ενώνονται για να σχηματίσουν βαρυόνια (καθημερινά σωματίδια όπως το πρωτόνιο και το νετρόνιο), ενώ δύο - ένα κουάρκ και ένα antiquark - κολλάνε μαζί για να σχηματίσουν πιο εξωτικές, λιγότερο σταθερές ποικιλίες που ονομάζονται μεσόνια. Οι σπάνιες συνεργασίες τεσσάρων κουάρκ ονομάζονται τετρακουάρκ. Και πέντε κουάρκ δεσμεύονται σε ένα λεπτό χορό; Φυσικά, αυτό θα ήταν πεντακουαρκ. Και το πεντακουάρκ, μέχρι πρόσφατα ένα απλό κομμάτι της γνώσης της φυσικής, έχει πλέον εντοπιστεί στο LHC!
Ποια είναι λοιπόν η μεγάλη υπόθεση; Αντί να είναι απλώς μια διασκεδαστική λέξη για να πούμε πέντε φορές γρήγορα, το pentaquark μπορεί να ξεκλειδώσει ζωτικές νέες πληροφορίες σχετικά με την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Αυτές οι αποκαλύψεις θα μπορούσαν τελικά να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο σκεφτόμαστε τον εξαιρετικά πυκνό φίλο μας, το αστέρι νετρονίων - και, μάλιστα, τη φύση της ίδιας της οικείας ύλης.
Οι φυσικοί γνωρίζουν έξι τύπους κουάρκ, τα οποία ταξινομούνται κατά βάρος. Τα ελαφρύτερα από τα έξι είναι τα πάνω και κάτω κουάρκ, τα οποία αποτελούν τα πιο γνωστά καθημερινά βαρυόνια (δύο πάνω και κάτω στο πρωτόνιο, και δύο κάτω και ένα πάνω στο νετρόνιο). Τα επόμενα βαρύτερα είναι τα γοητευτικά και περίεργα κουάρκ, ακολουθούμενα από τα πάνω και κάτω κουάρκ. Και γιατί να σταματήσετε εκεί; Επιπλέον, καθένα από τα έξι κουάρκ έχει ένα αντίστοιχο αντι-σωματίδιο, ή antiquark.
Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό τόσο των κουάρκ όσο και των αντισωμάτων τους είναι κάτι που ονομάζεται «χρώμα». Φυσικά, τα κουάρκ δεν έχουν χρώμα με τον ίδιο τρόπο που μπορείτε να ονομάσετε ένα μήλο «κόκκινο» ή τον ωκεανό «μπλε». Αντίθετα, αυτή η ιδιότητα είναι ένας μεταφορικός τρόπος επικοινωνίας ενός από τους βασικούς νόμους της υποατομικής φυσικής - ότι τα σωματίδια που περιέχουν κουάρκ (που ονομάζονται αδρόνια) φέρουν πάντα ουδέτερο φορτίο χρώματος.
Για παράδειγμα, τα τρία συστατικά ενός πρωτονίου πρέπει να περιλαμβάνουν ένα κόκκινο κουάρκ, ένα πράσινο κουάρκ και ένα μπλε κουάρκ. Αυτά τα τρία «χρώματα» προσθέτουν ένα ουδέτερο σωματίδιο με τον ίδιο τρόπο που το κόκκινο, πράσινο και μπλε φως συνδυάζονται για να δημιουργήσουν μια λευκή λάμψη. Παρόμοιοι νόμοι ισχύουν για το κουάρκ και το antiquark που συνθέτουν ένα μεσόνιο: τα αντίστοιχα χρώματα τους πρέπει να είναι ακριβώς αντίθετα. Ένα κόκκινο κουάρκ θα συνδυάζεται μόνο με ένα αντι-κόκκινο (ή κυανό) antiquark και ούτω καθεξής.
Το pentaquark, επίσης, πρέπει να έχει ουδέτερο χρώμα φόρτισης. Φανταστείτε ένα πρωτόνιο και ένα μεσόνιο (συγκεκριμένα, ένας τύπος που ονομάζεται μεσόνιο J / psi) που συνδέονται μεταξύ τους - ένα κόκκινο, ένα μπλε και ένα πράσινο κουάρκ στη μία γωνία, και ένα ζεύγος ουδέτερου χρώματος-κουάρκ-antiquark στην άλλη - για ένα συνολικά τέσσερα κουάρκ και ένα antiquark, όλα τα χρώματα των οποίων ακυρώνουν τακτοποιημένα το ένα το άλλο.
Οι φυσικοί δεν είναι σίγουροι αν το πεντακουάρ δημιουργείται από αυτόν τον τύπο διαχωρισμένης διάταξης ή εάν και τα πέντε κουάρκ συνδέονται μεταξύ τους άμεσα. Ούτως ή άλλως, όπως όλα τα αδόνια, το πεντακουάρ διατηρείται υπό έλεγχο από τον τιτάνιο της θεμελιώδους δυναμικής, την ισχυρή πυρηνική δύναμη.
Η ισχυρή πυρηνική δύναμη, όπως υποδηλώνει το όνομά της, είναι η ανείπωτα ισχυρή δύναμη που συγκολλά τα συστατικά κάθε ατομικού πυρήνα: πρωτόνια και νετρόνια και, πιο σημαντικό, τα δικά τους συστατικά κουάρκ. Η ισχυρή δύναμη είναι τόσο ανθεκτική που δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ «ελεύθερα κουάρκ». όλοι περιορίζονται πολύ σφιχτά μέσα στους γονείς τους.
Αλλά υπάρχει ένα μέρος στο Σύμπαν όπου μπορεί να υπάρχουν κουάρκ από μόνα τους, σε ένα είδος μετα-πυρηνικής κατάστασης: σε έναν εξαιρετικά πυκνό τύπο αστέρα νετρονίων. Σε ένα τυπικό αστέρι νετρονίων, η βαρυτική πίεση είναι τόσο μεγάλη που τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια παύουν να είναι. Οι ενέργειες και τα φορτία τους λιώνουν μαζί, αφήνοντας τίποτα άλλο από μια άνετη μάζα νετρονίων.
Οι φυσικοί έχουν υποθέσει ότι, σε ακραίες πυκνότητες, στα πιο συμπαγή αστέρια, τα γειτονικά νετρόνια εντός του πυρήνα μπορεί ακόμη και οι ίδιοι να αποσυντεθούν σε ένα μείγμα συστατικών μερών.
Το αστέρι νετρονίων… θα γίνει αστέρι κουάρκ.
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η κατανόηση της φυσικής του πεντακουάρ μπορεί να ρίξει φως στον τρόπο λειτουργίας της ισχυρής πυρηνικής δύναμης υπό τόσο ακραίες συνθήκες - όχι μόνο σε τόσο υπερβολικά πυκνά αστέρια νετρονίων, αλλά ίσως ακόμη και στα πρώτα κλάσματα ενός δευτερολέπτου μετά το Big Bang. Η περαιτέρω ανάλυση θα πρέπει επίσης να βοηθήσει τους φυσικούς να βελτιώσουν την κατανόησή τους για τους τρόπους που τα κουάρκ μπορούν και δεν μπορούν να συνδυαστούν.
Τα δεδομένα που οδήγησαν σε αυτήν την ανακάλυψη - ένα επιβλητικό αποτέλεσμα 9-σίγμα! - βγήκε από το πρώτο τρέξιμο του LHC (2010-2013). Με το supercollider να λειτουργεί τώρα στο διπλάσιο της αρχικής του ενεργειακής χωρητικότητας, οι φυσικοί δεν θα έπρεπε να έχουν κανένα πρόβλημα να ξεδιπλώσουν ακόμη περισσότερο τα μυστήρια του πεντακουάρκ.
Εδώ μπορείτε να βρείτε ένα προτύπωμα της ανακάλυψης πεντακουάρκ, το οποίο έχει υποβληθεί στο περιοδικό Physical Review Letters.
