Zbulimi i grimcave “e pamundur” shton një pjesë kyçe në enigmën e forcës së fortë

Këtë pranverë, në një takim të grupit të fizikës së kuarkut të Universitetit të Sirakuzës, Ivan Polyakov njoftoi se kishte zbuluar gjurmët e gishtërinjve të një grimce gjysmë mitike.

“Ne thamë, ‘Kjo është e pamundur. Çfarë gabimi po bëni?”, kujtoi Sheldon Stone, udhëheqësi i grupit.

Polyakov u largua dhe kontrolloi dy herë analizën e tij të të dhënave nga eksperimenti i bukurisë Large Hadron Collider (LHCb), pjesë e të cilit është grupi i Sirakuzës. Provat e mbajtura. Ai tregoi se një grup i caktuar prej katër grimcash themelore të quajtura kuarke mund të formojnë një klikë të ngushtë, në kundërshtim me besimin e shumicës së teoricienëve. Bashkëpunimi i LHCb raportoi zbulimin e grimcës së përbërë, të quajtur tetrakuarku me hijeshi të dyfishtë, në një konferencë në korrik dhe në dy punime të postuara në fillim të këtij muaji që tani po i nënshtrohen rishikimit nga kolegët.

Zbulimi i papritur i tetrakuarkut me hijeshi të dyfishtë nxjerr në pah një të vërtetë të pakëndshme. Ndërsa fizikanët e dinë ekuacionin e saktë që përcakton forcën e fortë – forca themelore që lidh kuarkët së bashku për të bërë protonet dhe neutronet në zemrat e atomeve, si dhe grimcat e tjera të përbëra si tetrakuarkët – ata rrallë mund ta zgjidhin këtë ekuacion të çuditshëm, përsëritës të pafund. , kështu që ata luftojnë për të parashikuar efektet e forcës së fortë.

Tetrakuarku tani u paraqet teoricienëve një objektiv të fortë kundrejt të cilit mund të testojnë makinerinë e tyre matematikore për përafrimin e forcës së fortë. Rritja e përafrimeve të tyre përfaqëson shpresën kryesore të fizikantëve për të kuptuar se si kuarkët sillen brenda dhe jashtë atomeve – dhe për të larguar efektet e kuarkeve nga shenjat delikate të grimcave të reja themelore që fizikanët po ndjekin.

Gjëja e çuditshme në lidhje me kuarkët është se fizikanët mund t’u qasen atyre në dy nivele kompleksiteti. Në vitet 1960, duke u përballur me një kopsht zoologjik me grimca të përbëra të sapo zbuluara, ata zhvilluan “modelin e kuarkut” vizatimor, i cili thjesht thotë se kuarkët shkëlqejnë së bashku në grupe plotësuese prej tresh për të bërë protonin, neutronin dhe të ashtuquajturat barione, ndërsa çiftet e kuarkeve përbëjnë lloje të ndryshme të grimcave “mezon”.

Megjithatë, gradualisht u shfaq një teori më e thellë e njohur si kromodinamika kuantike (QCD). Ai e pikturoi protonin si një masë kuarkesh të valëzuara të lidhura së bashku nga vargjet e ngatërruara të grimcave “gluon”, bartësit e forcës së fortë. Eksperimentet kanë konfirmuar shumë aspekte të QCD, por asnjë teknikë e njohur matematikore nuk mund të zbulojë sistematikisht ekuacionin qendror të teorisë.

Në një farë mënyre, modeli i kuarkut mund të qëndrojë për të vërtetën shumë më të ndërlikuar, të paktën kur bëhet fjalë për shtëpinë e barioneve dhe mesonëve të zbuluar në shekullin e 20-të. Por modeli nuk arriti të parashikonte tetrakuarkët kalimtar dhe “pentakuarkët” me pesë kuarkë që filluan të shfaqen në vitet 2000. Këto grimca ekzotike me siguri burojnë nga QCD, por për gati 20 vjet, teoricienët kanë qenë të hutuar se si.

“Ne thjesht nuk e dimë ende modelin, gjë që është e turpshme,” tha Eric Braaten, një teoricien i grimcave në Universitetin Shtetëror të Ohajos.

Tetrakuarku më i ri thekson misterin.

Ai u shfaq në mbeturinat e rreth 200 përplasjeve në eksperimentin LHCb, ku protonet përplasen me njëri-tjetrin 40 milionë herë çdo sekondë, duke u dhënë kuarkeve mundësi të panumërta për të kapur në të gjitha mënyrat që lejon natyra. Kuarkët vijnë në gjashtë “shije” të masave të ndryshme, ku kuarkët më të rëndë shfaqen më rrallë. Secila prej atyre përplasjeve 200 të çuditshme gjeneroi energji të mjaftueshme për të krijuar dy kuarkë me shije sharmi, të cilët peshojnë më shumë se kuarkët e lehtë që përmbajnë protone, por më pak se kuarkët gjigantë të “bukurisë” që janë guroret kryesore të LHCb. Kuarkët e hijeshisë së peshës së mesme gjithashtu u afruan mjaftueshëm për të tërhequr njëri-tjetrin dhe u lidhën me dy antikuarkë të lehtë. Analiza e Polyakovit sugjeroi që katër kuarkët u bashkuan së bashku për një 12 sekstimiliontë të sekondës së lavdishme përpara se një luhatje energjie të krijonte dy kuarkë shtesë dhe grupi të shpërbëhej në tre mezone.

Për një tetrakuark, kjo është një përjetësi. Tetrakuarkët e mëparshëm përmbanin kuarke të çiftëzuar me antikuarkët e tyre po aq masivë kundërshtarë, dhe ata prireshin të fryheshin në hiç mijëra herë më shpejt. Formimi i tetrakuarkut të ri dhe qëndrueshmëria pasuese befasuan grupin e Stone, i cili priste që kuarket e sharmit të tërhiqnin njëri-tjetrin edhe më dobët se çiftet kuark-antikuark që lidhin më shumë tetrakuarkë kalimtarë. Është një e dhënë e re për enigmën e forcës së fortë.

Një nga teoricienët e paktë që parashikoi pse dy kuarkë sharm mund të përzihen ishte Jean-Marc Richard, tani në Institutin e Fizikës së 2 Infiniteteve në Lion, Francë. Në vitin 1982, ai dhe dy kolegë studiuan një model të thjeshtë kuarku dhe fillimisht zbuluan se katër kuarkë më mirë do të formonin dy çifte – mezone. Një çift kuarku mund të tangojë aq sa një proton dhe një elektron mund. Por shtoni dy të tjera, dhe të ardhurit priren të pengojnë, duke dobësuar tërheqjen dhe duke dënuar grimcat kolektive.

Por teoricienët vunë re gjithashtu një zbrazëti: kuartetet me anë të njëanshme mund të ngjiten së bashku, nëse çifti më i madh është mjaftueshëm i rëndë për të mos marrë shumë vëmendje për çiftin më të lehtë. Pyetja ishte, sa të shtrembër do të duhej të ishin masat?

Një analizë e mëtejshme nga Richard dhe një koleg parashikoi se nuk është e nevojshme të shkohet deri në kuarkët më gjigantë; një palë kuarke sharmi të peshës së mesme mund të ankorojnë një tetrakuark. Por zgjerimet alternative të modelit të kuarkut parashikuan pika të ndryshme kthese dhe ekzistenca e tetrakuarkut me hijeshi të dyfishtë mbeti e dyshimtë. “Kishte më shumë supozime se nuk do të ekzistonte sesa kishte që do të ekzistonte,” tha Braaten.

E njëjta gjë ishte e vërtetë për simulimet kompjuterike “grilë QCD”, një qasje e fuqishme për përafrimin e QCD. Këto simulime kapin pasurinë e teorisë duke analizuar kuarkët dhe gluonët që ndërveprojnë në pikat e një rrjeti të imët në vend të një hapësire të lëmuar. Të gjitha simulimet me rrjetë QCD ranë dakord që kuarkët më të rëndë mund të bënin tetrakuarkë. Por kur studiuesit këmbyen në kuarkë sharmi, shumica e simulimeve zbuluan se tetrakuarkët me sharm të dyfishtë nuk mund të formoheshin.

Tani eksperimenti LHCb ka nxjerrë një vendim përfundimtar: kuarkët e sharmit mund të lidhin një tetrakuark së bashku. (Megjithatë, vetëm mezi – fizikanët llogaritin se nëse grimca e përbërë do të kishte vetëm një të qindtën e përqindjes më shumë masë, në vend të tyre do të fitonin dy mezone.) Tani teoricienët kanë një pikë referimi të re për modelet e tyre.

Për praktikuesit e QCD-së me rrjetë, tetrakuarku i ri nxjerr në pah problemin që detajet kyçe rreth kuarkëve të madhësisë së mesme mund të humbasin midis pikave të tyre të rrjetës. Kuarkët e lehtë mund të rrotullohen mjaftueshëm për të lejuar që lëvizja e tyre të kapet edhe kundër një rrjeti të trashë. Dhe studiuesit mund të merren me kuarke të rënda, më të palëvizshme duke i fiksuar në një pikë. Por kuarkët e hijeshisë banojnë në një terren të vështirë të mesëm dhe studiuesit mendojnë se do të duhet të zmadhohen për të dalluar më mirë sjelljen e tyre. “Ne kemi nevojë, ka shumë të ngjarë, një grilë më të imët,” tha Pedro Bicudo, një specialist QCD i grilave në Universitetin e Lisbonës në Portugali.

Simulimet më të afta me rrjetë QCD do të kenë përfitime të gjera. Qëllimi kryesor i fizikantëve të grimcave në eksperimente si LHCb është të gjejnë shenja të grimcave të reja themelore, të tilla si ato që mund të përbëjnë materien e errët të universit. Për ta bërë këtë, ata duhet të jenë në gjendje të dallojnë vallëzimin e kuarkeve sharm dhe të afërmve të tyre nga ndikimet e tjera, më të reja.

“Kudo ku kuarku i hijeshisë është i rëndësishëm, ky [zbulim] do të përhapet atje,” tha Bicudo.