59 νέα αδρόνια τα τελευταία 10 χρόνια στον LHC του CERN και έπεται συνέχεια

27 Ιανουαρίου του 2021, συμπληρώθηκαν 50 χρόνια από την 27η Ιανουαρίου 1971, όταν δυο δέσμες πρωτονίων συγκρούστηκαν για πρώτη φορά στον (πρώην πλέον) επιταχυντή διασταυρούμενων δακτυλίων του CERN, καθιστώντας τον πρώτο επιταχυντή στην ιστορία για την δημιουργία συγκρούσεων μεταξύ δύο αντίθετα κινούμενων δεσμών αδρονίων. Ένα ερώτημα που εύλογα μπορεί να τεθεί είναι πόσα νέα σωμάτια και σωματίδια έχουν ανακαλυφθεί στον LHC. Βέβαια, η πιο γνωστή ανακάλυψη είναι αυτή του μποζονίου Higgs, όμως κατά τα τελευταία 10 χρόνια, όπως αναφέρεται στην ιστοσελίδα του CERN και σε άρθρο στο περιοδικό CERN Courier, σε πειράματα στο LHC έχουν βρεθεί περισσότερα από 50 νέα σωματίδια, που ονομάζονται αδρόνια. Είναι κατανοητό ότι συμπτωματικά η εμφάνιση του αριθμού 50 συνδυάζεται με τον εορτασμό της 50ης επετείου λειτουργίας των επιταχυντών σύγκρουσης αδρονίων.

Πριν από οτιδήποτε άλλο, ας δούμε τι είναι αυτά τα σωματίδια: Τα αδρόνια, δεν είναι στοιχειώδη σωμάτια – οι φυσικοί τα γνώρισαν από το 1964, όταν οι Murray Gell-Mann (στην εικόνα κειμένου στο ATLAS) και George Zweig ανεξάρτητα πρότειναν αυτό που σήμερα είναι γνωστό ως μοντέλο των κουάρκ. Αυτό το μοντέλο θεωρεί τα αδρόνια ως σύνθετα σωματίδια που αποτελούνται από ένα νέο τύπο στοιχειωδών σωματίων που ονομάστηκαν κουάρκ. Όμως, με τον ίδιο τρόπο που οι ερευνητές ακόμη ανακαλύπτουν νέα ισότοπα για περισσότερο από 150 χρόνια από τότε που ο Dmitri Mendeleev καθιέρωσε τον Περιοδικό Πίνακα, οι μελέτες δυνατών σύνθετων καταστάσεων που διαμορφώνονται από κουάρκ είναι ακόμη ένα ενεργό πεδίο στη σωματιδιακή φυσική.

Ο λόγος για αυτό έγκειται στην κβαντική χρωμοδυναμική, ή QCD, τη θεωρία που περιγράφει την ισχυρή αλληλεπίδραση που κρατά μαζί τα κουάρκ «μέσα» στα αδρόνια. Η αλληλεπίδραση αυτή έχει διάφορα περίεργα χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένου του γεγονότος ότι η ένταση της αλληλεπίδρασης δεν μειώνεται με την απόσταση, οδηγώντας σε μια ιδιότητα που ονομάζεται χρωματικός εγκλωβισμός, η οποία απαγορεύει την ύπαρξη ελεύθερων κουάρκ έξω από τα αδρόνια [1]. Τα χαρακτηριστικά αυτά καθιστούν αυτή τη θεωρία πολύ προκλητική: στην πραγματικότητα ο ίδιος ο χρωματικός εγκλωβισμός δεν έχει ακόμη αποδειχθεί αναλυτικά μέχρι σήμερα και δεν έχουμε ακόμη τρόπο να προβλέψουμε ακριβώς ποιοι συνδυασμοί κουάρκ μπορούν να διαμορφώσουν αδρόνια.

Μια επιστροφή στη δεκαετία του 1960, θα μας θυμίσει ότι υπήρχαν ήδη περισσότερες από 100 γνωστές ποικιλίες αδρονίων, οι οποίες ανακαλύφθηκαν στον επιταχυντή και στα πειράματα με κοσμικές ακτίνες. Το μοντέλο των κουάρκ επέτρεψε στους φυσικούς να περιγράψουν όλον τον «ζωολογικό κήπο» ως διαφορετικές σύνθετες καταστάσεις μόνο τριών διαφορετικών κουάρκ: των επάνω, κάτω και παράξενου. Όλα τα γνωστά αδρόνια θα μπορούσαν να περιγραφούν είτε ως συνιστάμενα από τρία κουάρκ (διαμορφώνοντας τα βαρυόνια), είτε ως ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ (διαμορφώνοντας τα μεσόνια). Όμως η θεωρία επίσης προέβλεψε και άλλες δυνατές διευθετήσεις των κουάρκ. Ήδη στην αρχική εργασία στα κουάρκ, του Gell-Mann, εμφανίστηκε ως μια πιθανότητα η ιδέα σωματιδίων που περιέχουν περισσότερα από τρία κουάρκ. Σήμερα γνωρίζουμε ότι τέτοια σωματίδια υπάρχουν, όμως πήρε μερικές δεκαετίες για να επιβεβαιωθούν με πειράματα τα πρώτα αδρόνια με τέσσερα και πέντε κουάρκ ή τετρακουάρκ και πεντακουάρκ [2].

Ο πλήρης κατάλογος των 59 νέων αδρονίων που βρέθηκαν στο LHC, εμφανίζεται στην πιο κάτω εικόνα. Από αυτά τα σωματίδια, ορισμένα είναι πεντακουάρκ, ορισμένα είναι τετρακουάρκ και ορισμένα είναι νέες υψηλότερης ενέργειας (διεγερμένες) καταστάσεις βαρυονίων και μεσονίων. Η ανακάλυψη αυτών των νέων σωματιδίων, μαζί με μετρήσεις των ιδιοτήτων τους, συνεχίζουν να παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για τον έλεγχο των ορίων του μοντέλου των κουάρκ. Αυτό στη συνέχεια επιτρέπει τους ερευνητές να διευρύνουν την γνώση τους για την ισχυρά αλληλεπίδραση, για να επαληθεύουν θεωρητικές προβλέψεις και να βελτιώνουν τα μοντέλα. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την έρευνα που γίνεται στο LHC (Large Hadron Collider), καθώς η ισχυρή αλληλεπίδραση είναι υπεύθυνη για τη τεράστια πλειονότητα των όσων συμβαίνουν όταν συγκρούονται αδρόνια. Όσο καλύτερα μπορούμε να κατανοήσουμε την ισχυρή αλληλεπίδραση, τόσο ακριβέστερα μπορούμε να μοντελοποιήσουμε τις συγκρούσεις αυτές και τόσο καλύτερες είναι οι πιθανότητες να δούμε μικρές αποκλίσεις από τα αναμενόμενα που θα μπορούσαν να υπονοούν την πιθανότητα νέων φυσικών φαινομένων.

Οι ανακαλύψεις των αδρονίων από τα πειράματα στον LHC, προέρχονται κυρίως από το (πείραμα) LHCb, το οποίο είναι ιδιαίτερα κατάλληλο να μελετά σωματίδια που περιέχουν βαρέα κουάρκ. Το πρώτο αδρόνιο που ανακαλύφθηκε στον LHC, το χb(3P), ανακαλύφθηκε από το (πείραμα) ATLAS, ενώ το πιο πρόσφατο που περιλαμβάνει ένα νέο διεγερμένο βαρυόνιο παρατηρήθηκε από το CMS και τέσσερα τετρακουάρκ ανιχνεύθηκαν από το LHCb [3].

Πηγή: CERN

Σημειώσεις:
[1] Στην QCD, ο χρωματικός εγκλωβισμός, συχνά απλά εγκλωβισμός, είναι το φαινόμενο στο οποίο σωμάτια με χρωματικό φορτίο, όπως τα κουάρκ και τα γλοιόνια, δεν μπορούν να απομονωθούν και έτσι δεν είναι άμεσα παρατηρήσημα σε κανονικές συνθήκες κάτω από τη θερμοκρασία Hagedorn των περίπου 2 terakelvin (που αντιστοιχεί σε ενέργειες περίπου 130 – 140 MeV ανά σωμάτιο).
[2] Αναζητήστε στο egno.gr σχετικά άρθρα για τετρακουάρκ και πεντακουάρκ.
[3] Είναι τα τέσσερα, μαζί με το ALICE, εργαστήρια όπου μελετώνται οι διασταυρώσεις των αντίθετα κινούμενων, στον επιταχυντή σύγκρουσης, σωματιδίων.