Power to the Pentaquark

A kvarkokról

Mi van az atom belsejében? Mi van egy proton belsejében? Ezeket a kérdéseket teszik fel a fizikusok, akik az anyagot a legalapvetőbb szinten próbálják megérteni.

Az atomban egy protonokból és neutronokból álló atommag található, amelyet egy elektronfelhő vesz körül. A mélyebbre hatoló kísérletek azt találják, hogy az elektronok nem mutatnak struktúrát, a protonok és a neutronok viszont igen. Ezek kvarkoknak nevezett alapvető részecskéket tartalmaznak, amelyek olyan erősen vonzzák egymást, hogy hétköznapi körülmények között nem létezhetnek szabad részecskékként. A kozmológusok elmélete szerint az ősrobbanás utáni hihetetlen körülmények között a kvarkok szabadon létezhettek az úgynevezett kvark-gluon plazmában, az anyagnak abban az állapotában, amelyet egyes részecskefizikusok laboratóriumban próbálnak létrehozni. (Lásd: Magok kiütése)

A protonok és neutronok kvarkszerkezetének ábrája (az ábra a Brookhaven National Laboratory jóvoltából)

Honnan tudjuk, hogy kvarkok léteznek? Közvetett mérésekből kell következtetnünk rá, mivel szabad kvarkot nem tudunk megfigyelni. Például amikor nagyon nagy energiájú elektronok ütköznek protonokkal, az ütközés utáni részecskeeloszlás azt mutatja, hogy a protonok belsejében apró részecskék vannak.

A kvarkok hat szóképes “ízben” léteznek – fel, le, furcsa, bűvös, alsó és felső -, és mindegyikhez létezik egy-egy antikvark. (Lásd: The Buzz about Antimatter)

A fel és le kvarkok kombinációi alkotják a nukleáris részecskéket – két fel és egy le kvark a protonhoz, és egy fel és két le kvark a neutronhoz, ahogy az ábrán látható. A kvarkok töltései együttesen adják a proton és a neutron töltését, amint az alább és a táblázatban látható.

Proton = felfelé kvark + felfelé kvark + lefelé kvark
A proton töltése:
+1 = 2/3 + 2/3 – 1/3

Neutron = felfelé kvark + lefelé kvark + lefelé kvark
A neutron töltése:
0 = 2/3 -1/3 – 1/3

Egy másfajta részecske, a mezon, két kvarkból, pontosabban egy kvarkból és egy antikvarkból áll. Például a pi-plusz egy up kvarkból és egy anti-down kvarkból áll. Így kétféle kvarkokból álló részecskét kapunk – nukleáris szubatomi részecskéket (proton és neutron) és mezonokat. Lehet ennél több is?

Kutatás

A Standard Modell szerint a protonok, neutronok, pi-mezonok és más rokon részecskék kvarkok különböző kombinációiból állnak. Ebben az elméletben lehetséges egy öt kvarkból álló részecske, a pentakvark. Van egy régi mondás a fizikában, miszerint “Ami nem tilos, az szükséges”. Talán ezt szem előtt tartva a fizikusok 30 éve keresik az öt kvarkos részecskét. Ez a keresés 1997-ben új irányt kapott, amikor három orosz fizikus megjósolta, hogy a két felfelé irányuló kvarkból, két lefelé irányuló kvarkból és egy anti-fura kvarkból álló pentakvarknak körülbelül 1 db.5-ször nagyobb tömegű lenne, mint a proton, és a mai részecskefizikai technológiával kimutatható lenne.

A pentakvark előállítása gammasugár elnyelésével (kacskaringós vonal) egy atommagban. A pentakvark olyan gyorsan bomlik, hogy nem lehet megfigyelni, így létezésére a gammasugarak és a pentakvark bomlásakor keletkező K+ mezonok megfigyeléseiből kell következtetni (a kép a Physics News Graphics, American Institute of Physics jóvoltából).

A K-mezon detektor a Jefferson Laborban (JLab), az egyik olyan laboratóriumban, ahol a pentakvarkot megfigyelték (a kép Greg Adams, Jefferson Labor jóvoltából).

A pentakvark úgy jön létre, hogy könnyű atommagokat nagy energiájú gammasugarakkal bombáznak, ahogy az ábrán látható. Maga a pentakvark nem detektálható, mivel csak 10-20 másodpercig él, mielőtt neutronra és K+ mezonra bomlik (lásd az ábra jobb felső részét). A mezon és a gammasugárzás megfigyelései megállapították a pentakvark jelenlétét, és három további kísérlet is megerősítette ezt az eredményt.

Ez az egzotikus, újfajta részecske nagy port kavart a fizika világában. Ahogy az gyakran előfordul, a felfedezés érdekes új kérdéseket vetett fel, ugyanis kiderült, hogy maga az elmélet, amely a kísérletezők felfedezéséhez vezetett, nem minden pentakvark-tulajdonságot jósol meg helyesen. Már megjelent egy konkurens elmélet, és mivel mindkét elmélet egyelőre még fel nem fedezett részecskéket jósol, ráadásul eltérő tömeggel, a jövőbeli kísérletek talán feloldják ezt a nézeteltérést. Mindenesetre izgalmas időszak ez a részecskefizikában.

Linkek

Lawrence Berkeley National Lab

• A részecske-kaland

Stanford Lineáris Gyorsító

• Részecskeelmélet

The Exploratorium/CERN

• A standard modell

A Jefferson Lab detektor építése (a Jlab/Department of Energy jóvoltából készült fénykép).