Voimaa pentakvarkille

Kvarkeista

Mitä on atomin sisällä? Mitä on protonin sisällä? Näitä kysymyksiä esittävät fyysikot, jotka pyrkivät ymmärtämään ainetta kaikkein perustavimmalla tasolla.

Atomi sisältää protonien ja neutronien muodostaman ytimen, jota ympäröi elektronipilvi. Kokeissa, joissa tutkitaan syvemmälle, havaitaan, että elektroneilla ei ole rakennetta, mutta protoneilla ja neutroneilla on. Ne sisältävät kvarkkeiksi kutsuttuja perushiukkasia, jotka vetävät toisiaan puoleensa niin voimakkaasti, etteivät ne voi olla olemassa vapaina hiukkasina tavanomaisissa olosuhteissa. Kosmologit teoretisoivat, että heti alkuräjähdyksen jälkeisissä uskomattomissa olosuhteissa kvarkit voisivat olla vapaasti olemassa niin sanotussa kvarkki-gluoniplasmassa, joka on aineen tila, jota jotkut hiukkasfyysikot yrittävät luoda laboratoriossa. (Katso Nuclei Knockdown)

Diagrammi protonien ja neutronien kvarkkirakenteesta (kaaviota tarjoaa Brookhaven National Laboratory)

Mistä tiedämme, että kvarkit ovat olemassa? Meidän on pääteltävä se epäsuorista mittauksista, koska emme voi havaita vapaata kvarkkia. Esimerkiksi kun hyvin suurienergiset elektronit törmäävät protoneihin, törmäyksen jälkeinen hiukkasjakauma osoittaa, että protonien sisällä on pieniä hiukkasia.

Kvarkkeja on kuutta mieleenpainuvaa ”makua” – ylös-, alas-, outo-, viehättävä-, alhaalta- ja ylhäältäpäin – ja kutakin näistä varten on olemassa antikvarkki. (Katso The Buzz about Antimatter)

Ylä- ja alakvarkkien yhdistelmät muodostavat ydinhiukkaset – kaksi yläkvarkkia ja yksi alakvarkki protonille ja yksi yläkvarkki ja kaksi alakvarkkia neutronille, kuten kaaviossa näkyy. Kvarkkien varaukset muodostavat yhdessä protonin ja neutronin varauksen, kuten alla ja taulukossa on esitetty.

Protonin = up-kvarkki + up-kvarkki + down-kvarkki
Protonin varaus:
+1 = 2/3 + 2/3 – 1/3

Neutronin = up-kvarkki + down-kvarkki + down-kvarkki
Neutronin varaus:
0 = 2/3 -1/3 – 1/3

Erilainen hiukkanen, mesoni, koostuu kahdesta kvarkista, tarkemmin sanottuna kvarkista ja antikvarkista. Esimerkiksi pi-plus on up-kvarkki ja anti-down-kvarkki. Näin ollen meillä on kahdenlaisia kvarkkeista koostuvia hiukkasia – subatomisia ydinhiukkasia (protoni ja neutroni) ja mesoneja. Voisiko niitä olla enemmän?

Tutkimus

Standardimallin mukaan protonit, neutronit, pi-mesonit ja muut vastaavat hiukkaset koostuvat kvarkkien erilaisista yhdistelmistä. Tässä teoriassa viidestä kvarkista koostuva hiukkanen – pentakvarkki – on mahdollinen. Fysiikassa on vanha sanonta, jonka mukaan ”Kaikki, mitä ei ole kielletty, vaaditaan”. Ehkäpä tämä mielessä pitäen fyysikot ovat etsineet viiden kvarkin hiukkasta jo 30 vuoden ajan. Vuonna 1997 tämä etsintä sai uuden suunnan, kun kolme venäläistä fyysikkoa ennusti, että kahdesta up-kvarkista, kahdesta down-kvarkista ja yhdestä anti-strange-kvarkista koostuvalla pentakvarkilla olisi arviolta 1.5-kertainen massa protoniin verrattuna ja se voitaisiin havaita nykyisellä hiukkasfysiikan tekniikalla.

Pentakvarkin tuottaminen gammasäteilyn absorboimalla (wiggly-viiva) ytimessä. Pentakvarkki hajoaa niin nopeasti, että sitä ei voida havaita, joten sen olemassaolo on pääteltävä havainnoista, jotka tehdään gammasäteistä ja K+-mesoneista, joita syntyy pentakvarkin hajotessa (kuva Physics News Graphics, American Institute of Physics).

The K meson detector at Jefferson Lab (JLab), one of the labs where the pentaquark was observed the pentaquark (photo courtesy of Greg Adams, Jefferson Lab).

Pentakvarkki syntyy pommittamalla kevyitä ytimiä korkea-energisillä gammasäteilyillä, kuten kaaviossa näkyy. Itse pentakvarkkia ei voida havaita, sillä se elää vain noin 10-20 sekuntia ennen kuin se hajoaa neutroniksi ja K+-mesoniksi (ks. kaavion oikea yläosa). Mesonin ja gammasäteilyn havainnot vahvistivat pentakvarkin olemassaolon, ja kolme muuta koetta on vahvistanut tämän tuloksen.

Tämä eksoottinen uudenlainen hiukkanen on aiheuttanut melkoista kohua fysiikan maailmassa. Kuten usein käy, löytö on herättänyt uusia mielenkiintoisia kysymyksiä, sillä on käynyt ilmi, että juuri se teoria, joka johti kokeentekijät löytöönsä, ei ennusta kaikkia pentaquarkin ominaisuuksia oikein. Kilpaileva teoria on jo ilmestynyt, ja koska molemmat teoriat ennustavat vielä löytymättömiä hiukkasia, joiden massat eroavat toisistaan, tulevat kokeet saattavat ratkaista tämän erimielisyyden. Joka tapauksessa tämä on jännittävää aikaa hiukkasfysiikassa.

Linkit

Lawrence Berkeley National Lab

• Hiukkasseikkailu

Stanfordin lineaarikiihdytin

• Hiukkastutkimus

The Exploratorium/CERN

• Standardimalli

Jefferson Lab -ilmaisimen rakentaminen (kuva Jlab/Department of Energyn suosittelemana).