Το egno-θέμα της Κυριακής: Ένα σωμάτιο φτιαγμένο μόνο από ισχυρή πυρηνική δύναμη;

Ανακοινώθηκε την εβδομάδα που πέρασε και έκανε το γύρο του κόσμου στα μέσα ενημέρωσης, ότι Ο καθηγητής Anton Rebhan και ο διδακτορικός φοιτητής του Frederic Brünner, από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης, χρησιμοποίησαν μια νέα θεωρητική προσέγγιση για να υπολογίσουν θεωρητικά τη διάσπαση ενός μεσονίου που σηματοδοτείται με το όνομα «f0 (1710)». Το μεσόνιο αυτό μαζί με ένα άλλο με το όνομα «f0 (1500)» θα μπορούσαν να θεωρηθούν ως καλοί υποψήφιοι για να αντιπροσωπεύσουν τα εξωτικά σωμάτια που ονομάστηκαν «glueballs» και τα οποία θεωρείται πως αποτελούνται αποκλειστικά από γλοιόνια ή γκλουόνια (gluons: glue: κόλλα, από την ελληνική λέξη γλοιός).

Τα εξωτικά «glueballs», που αναζητούνται δεκαετίες τώρα από τους επιστήμονες, είναι ασταθή και μπορεί να ανιχνευθούν μόνον έμμεσα, με ανάλυση της διάσπασής τους. Αυτή, ωστόσο, η διαδικασία της διάσπασης δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητή και η προσέγγιση των Rebhan και Brünner δείχνει να προχωράει μερικά βήματα μπροστά προς την επίλυση ορισμένων από τα προβλήματα που υπάρχουν.

Τα συστατικά στοιχεία των «glueballs», τα γλοιόνια, έκαναν την εμφάνισή τους στο επιστημονικό προσκήνιο όταν χρειάστηκε ένας μηχανισμός ο οποίος να περιορίζει τις αλληλεπιδράσεις σε μικρές περιοχές και να συνδέεται με τα πεδία βαθμίδας που αποτελούσαν την πληρέστερη περιγραφή των αλληλεπιδράσεων. Στο πλαίσιο αυτό το κάθε πεδίο μπορούσε ισοδύναμα να περιγραφεί ως σωμάτιο και όπως θα πει σε συνέντευξή του ο Anton Rebhan: «Στη φυσική σωματιδίων, κάθε δύναμη διαμεσολαβείται από ένα ιδιαίτερο είδος σωματίων δύναμης και το σωμάτιο διαμεσολαβητής της ισχυρής πυρηνικής δύναμης είναι το γλοιόνιο».

Βέβαια στην πορεία της ανθρώπινης σκέψης η κάθε κερδισμένη γνώση στρώνει το δρόμο για τις επόμενες. Έτσι μπορεί η σημερινή αντίληψη για τα πεδία βαθμίδας να τοποθετηθεί στη σειρά των γνώσεων που, για να μην πάμε πιο πίσω στην ιστορία, κερδήθηκαν με την σύνθεση του Maxwell, που ενοποίησε τις έννοιες του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου και αποκάλυψε την ύπαρξη του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, στο οποίο ενέταξε και το φως. Αυτό να το συνδέσουμε με την πρόταση του Einstein για την σωματιδιακή διαμόρφωση (κβάντωση) του φωτός για να επεξεργαστεί με την εισαγωγή του σωμάτιου φωτός-που αργότερα θα ονομαστεί φωτόνιο-το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και τη γενίκευση της ύπαρξης-διαμεσολάβησής του σε κάθε ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση.

Τα στηρίγματα της σύνθεσης του Maxwell, επειδή δεν αναφέρονται στο κείμενο

Στη συνέχεια, να περάσουμε από την προσπάθεια του Heisenberg να εξηγήσει τι κάνει τον πυρήνα ενός ατόμου να μη διαλύεται, παρά την άπωση μεταξύ των συστατικών του, προτείνοντας την ύπαρξη ορισμένων δυνάμεων ανταλλαγής. Για να φτάσουμε στον Yukawa, ο οποίος χρησιμοποίησε τις ιδέες του Heisenberg (αλλά και του Fermi που τις δανείστηκε για να διατυπώσει τη θεωρία της ασθενούς αλληλεπίδρασης) και διατύπωσε τη δική του θεωρία σύμφωνα με την οποία η μη διάλυση του πυρήνα οφείλεται στην ύπαρξη μια νέας αλληλεπίδρασης, της ισχυρής, που περιορίζεται-εντοπίζεται μόνο μέσα στον πυρήνα.

Με τη σημερινή θεωρία των πεδίων βαθμίδας, θα πάμε ένα βήμα παραπέρα: Μια πιο λεπτομερής επεξεργασία από αυτή που οδηγεί στο απλούστερο είδος πεδίου με διαμεσολαβητές τα φωτόνια, που δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, δείχνει ότι τα άμαζα πεδία βαθμίδας αλληλεπιδρούν με τον εαυτό τους με ένα τρόπο που τα κάνει να ανταποκρίνονται σε μια δύναμη που αυξάνεται όταν αυξάνεται η απόσταση. Σε αντίθεση με όλες τις γνωστές δυνάμεις (νευτώνιες, Coulomb) που μειώνονται με την απόσταση. Λόγω αυτής τις συμπεριφοράς που θυμίζει κόλλα, τα πεδία βαθμίδας αυτά ονομάστηκαν γλοιόνια.

Συνοψίζοντας: Το γλοιόνιο, λοιπόν, μπορεί να θεωρηθεί ως πιο περίπλοκη εκδοχή του φωτονίου. Τα άμαζα φωτόνια είναι υπεύθυνα για τις δυνάμεις του ηλεκτρομαγνητισμού, ενώ τα οκτώ διαφορετικά είδη γλοιονίων παίζουν παρόμοιο ρόλο στην ισχυρή πυρηνική δύναμη. Ωστόσο, υπάρχει μια σημαντική διαφορά: Τα γλοιόνια, τα ίδια, υπόκεινται στη δική τους δύναμη, τα φωτόνια όχι. Αυτός είναι ο λόγος που δεν υπάρχουν δέσμιες καταστάσεις των φωτονίων, ενώ είναι πράγματι δυνατή η ύπαρξη ενός σωμάτιου που αποτελείται μόνο από δέσμια γλοιόνια, διαμεσολαβητές καθαρής πυρηνικής δύναμης.

Το 1972, λίγο μετά την διατύπωση της θεωρίας των κουάρκ και των γλοιονίων, οι φυσικοί Murray Gell-Mann και Harald Fritsch έκαναν εικασίες σχετικά με τις πιθανές δέσμιες καταστάσεις των καθαρών γλοιονίων (αρχικά ονομαζόταν «gluonium», σήμερα χρησιμοποιείται ο όρος «glueball»). Πολλά σωματίδια έχουν βρεθεί σε πειράματα σε επιταχυντές σωματιδίων που θεωρούνται ότι μπορεί να είναι εφικτοί υποψήφιοι για τα glueballs, αλλά δεν υπήρξε ποτέ επιστημονική συναίνεση σχετικά με το εάν ένα από αυτά τα σήματα θα μπορούσε στην πραγματικότητα να είναι το μυστηριώδες σωματίδιο από «καθαρή δύναμη». Αντί για ένα glueball, τα σήματα που βρέθηκαν στα πειράματα θα μπορούσαν, επίσης, να είναι συνδυασμοί κουάρκ και αντικουάρκ. Τα glueballs είναι πολύ βραχύβια για να εντοπιστούν άμεσα. Αν υπάρχουν, θα πρέπει να προσδιοριστούν με τη μελέτη της διάσπασής τους.

«Δυστυχώς, το μοτίβο διάσπασης των glueballs δεν μπορεί να υπολογιστεί με αυστηρότητα», λέει ο Anton Rebhan. Απλοποιημένοι υπολογισμοί του μοντέλου έδειξαν ότι υπάρχουν δύο υποψήφιοι για ρεαλιστικά glueballs: τα μεσόνια που ονομάζονται f0 (1500) και f0 (1710). Για μεγάλο χρονικό διάστημα, το πρώτο θεωρήθηκε να είναι ο πιο πολλά υποσχόμενος υποψήφιος. Το δεύτερο έχει μεγαλύτερη μάζα, που συμφωνεί καλύτερα με τις προσομοιώσεις στον υπολογιστή, αλλά όταν διασπάται, παράγει πολλά βαρέα κουάρκ (τα λεγόμενα «παράξενα κουάρκ»). Για πολλούς επιστήμονες σωματιδίων, αυτό φαινόταν απίθανο, γιατί οι αλληλεπιδράσεις γλοιονίων συνήθως δεν κάνουν διάκριση μεταξύ βαρύτερων και ελαφρύτερων κουάρκ.

Διαγράμματα Feynman για τη διάσπαση του f0(1710)

Οι Anton Rebhan και Frederic Brünner έκαναν ένα σημαντικό βήμα προς την επίλυση αυτού του προβλήματος, επιχειρώντας μια διαφορετική προσέγγιση. Υπάρχουν θεμελιώδεις συνδέσεις μεταξύ κβαντικών θεωριών που περιγράφουν τη συμπεριφορά των σωματιδίων στον τρισδιάστατο κόσμο μας και ορισμένα είδη των θεωριών βαρύτητας σε χώρους περισσότερων διαστάσεων. Αυτό σημαίνει ότι ορισμένα κβαντικά φυσικά ερωτήματα μπορούν να απαντηθούν με τη χρήση εργαλείων από τη βαρυτική φυσική.

«Οι υπολογισμοί μας δείχνουν ότι πράγματι είναι δυνατό για τα glueballs να διασπαστούν κατά κύριο λόγο σε παράξενα κουάρκ», λέει ο Anton Rebhan. Παραδόξως, το υπολογιζόμενο μοτίβο διάσπασης, σε δύο ελαφρύτερα σωμάτια συμφωνεί εξαιρετικά καλά με το μοτίβο διάσπασης που μετρήθηκε για τον f0 (1710). Επιπλέον, είναι δυνατές άλλες διασπάσεις σε περισσότερα από δύο σωμάτια, ενώ υπολογίστηκαν επίσης και οι ρυθμοί διάσπασής τους.

Μέχρι τώρα, αυτές οι εναλλακτικές διασπάσεις του glueball δεν έχουν μετρηθεί, αλλά εντός των προσεχών μηνών, δύο πειράματα στον LHC στο CERN (ΤΟΤΕΜ και LHCb) και ένα πείραμα σε επιταχυντή στο Πεκίνο (BESIII) αναμένεται να δώσουν νέα δεδομένα. «Τα αποτελέσματα αυτά θα είναι κρίσιμα για τη θεωρία μας», λέει ο Anton Rebhan. «Για αυτές τις διεργασίες πολλαπλών σωματιδίων, η θεωρία μας προβλέπει ρυθμούς διάσπασης που είναι εντελώς διαφορετικοί από τις προβλέψεις άλλων, απλούστερων μοντέλων. Εάν οι μετρήσεις συμφωνούν με τους υπολογισμούς μας, αυτό θα είναι μια σημαντική επιτυχία για την προσέγγισή μας».

Θα ήταν συντριπτικά στοιχεία για να είναι ο f0 (1710) ένα σωματιο glueball. Επιπλέον, θα έδειχνε για άλλη μια φορά ότι η περισσοτέρων διαστάσεων βαρύτητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να απαντήσει σε ερωτήσεις από τη σωματιδιακή φυσική. Με έναν τρόπο που θα ήταν μια ακόμη μεγάλη επιτυχία της θεωρίας της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία συμπληρώνει 100 χρόνια τον επόμενο μήνα.

Πηγή: Technische Universität Wien

Περισσότερα στη δημοσίευση: Nonchiral Enhancement of Scalar Glueball Decay in the Witten-Sakai-Sugimoto Model, Phys. Rev. Lett. 115

Σημείωση: Το egno-θέμα της Κυριακής αποτελεί μια προσπάθεια να παρουσιάζεται μια από τις ειδήσεις της εβδομάδας με περισσότερα στοιχεία θεωρίας που σχετίζονται με το συγκεκριμένο θέμα.