Как открытие первого пентакварка - это только верхушка айсберга, когда речь идет о новых ядерных богатствах.
“Это было самое невероятное событие, которое когда-либо случалось со мной в жизни. Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок папиросной бумаги, а он вернулся бы и попал в вас». - Эрнест Резерфорд
Прошло более ста лет с момента открытия Резерфордом атомного ядра, гениального эксперимента, в ходе которого он бомбардировал золотую фольгу, которая была отчеканена невероятно тонко - так что толщина ее составляла всего несколько атомов - субатомными частицы. Он обнаружил, что, хотя большинство этих частиц прошло прямо через фольгу, как и следовало ожидать, некоторые отскочили под странными углами, в том числе многие вернулись обратно в противоположном направлении.
Это потому, что атомы состоят из ядер в их центрах. Однако если бы Резерфорду удалось бомбардировать эти ядра частицами еще более высокой энергии, он бы не просто разбил их на отдельные протоны и нейтроны. Идя еще глубже, протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц: кварков и глюонов.
Насколько мы можем судить, кварки и глюоны действительно фундаментальны и обладают своими интересными и уникальными свойствами.
Во-первых, в отличие от всех других известных частиц Стандартной модели элементарных частиц, кварки и глюоны - единственные известные частицы, обладающие цветовым зарядом, который работает совершенно иначе, чем другие «заряды», которые вы привыкли.
- Гравитационный «заряд» (известный как масса) бывает только одного (положительного) типа и всегда притягивает. Если у вас есть масса, то нет «антимассового» аналога, который мог бы обнулить заряд.
- Электрический заряд может быть положительным или отрицательным, где каждый из них может нейтрализовать суммарный заряд, делая составной набор частиц (например, атом) электрически нейтральным, даже если он состоит из заряженных компонентов.
- Но цветовой зарядможет быть трех отдельных разновидностей - красный, зеленый или синий - вместе с “антиразновидностями” для каждого цвет - анти-красный (голубой), анти-зеленый (пурпурный) или анти-синий (желтый) - и правильная комбинация всегда может быть "нейтральный цвет" или белый.
Но вот в чем фишка: пока вы составляете комбинацию, нейтральную по цвету, она должна иметь возможность стабильно существовать (по крайней мере, временно) в этой Вселенной. Вы можете сделать что-то нейтральное по цвету либо комбинацией цветового заряда и его антицветового заряда (как пара кварк-антикварк), либо комбинацией трех цветов (или трех антицветов), как протон, который сделан из трех кварков.
Мы называем эту нейтральную по цвету комбинацию «белым», и пока что-то белое, оно может существовать, если в природе соблюдаются другие условия. Во всех случаях эти кварки (или антикварки) со временем меняют свои индивидуальные цвета за счет испускания и поглощения (окрашенных) глюонов, но общая комбинация всегда остается нейтральной по цвету.
Комбинации кварков и антикварков известны как мезоны. Если у вас есть только два доступных кварка (например, верхний и нижний), у вас есть ограниченные комбинации частиц, которые вы можете создать, в зависимости от того, насколько другие квантовые свойства (например, спин) доступны для конфигурации. Если у вас больше кварков (странных, странных и очаровательных и т. д.), вы можете составить больше комбинаций. В итоге вы получите целый спектр возможных частиц, причем все, что было предсказано до сих пор в пределах досягаемости эксперимента было успешно подтверждено.
Для комбинаций трех кварков (или трех антикварков) вы можете создавать барионы (или антибарионы). Опять же, по мере того, как вы переходите к все более и более высоким энергиям и включаете в смесь не только верхние и нижние кварки, но также странные, очарованные и нижние (и так далее) кварки, вы в конечном итоге предсказываете весь спектр барионов. И, как и в случае с мезонами, чем лучше становятся наши экспериментальные детекторы (и энергии коллайдера), тем больше таких частиц мы обнаруживаем.
Но, как вы, возможно, уже поняли, пары кварк-антикварк и комбинации из трех кварков (или антикварков) - не единственные стабильные возможности.
Долгое время эти объекты были только теоретическими. И все же теория сильных взаимодействий - Квантовая хромодинамика (КХД) - требует их существования. Если нет, то КХД неверна!
Впервые пентакварки были обнаружены еще в середине 2000-х годов, но это открытие оказалось ложным. Но за последние несколько лет были обнаружены первые тетракварки, и буквально на прошлой неделе было объявлено о первом подтвержденном состоянии пентакварка.
Почему это важно? Во-первых, мы проверяем ранее не проверенное предположение об одной из самых важных фундаментальных теорий о Вселенной, которые у нас есть. Но мы проверяем эту теорию совершенно по-новому, открывая существование частиц, в существовании которых мы не были уверены.
Но во-вторых, почти наверняка существует весь спектр этих новых наборов частиц: тетракварки, пентакварки и, возможно, больше! Когда есть одна разрешенная комбинация, вероятно, их много. А если в каждой комбинации ингредиентов больше (четыре для тетракварков, пять для пентакварков и т. д.), чем мезонов или барионов, этих связанных состояний должно быть гораздо больше, чем всех ранее известных состояний вместе взятых.
Интересно, что это также может привести к возрождению интереса к поиску глюболов, что станет первым прямым свидетельством связанного состояния глюонов в природе! Если экзотические предсказания КХД о тетракварках и пентакварках подтвердятся в нашей Вселенной, само собой разумеется, что глюболы тоже должны быть там. Возможно, существование этих составных частиц также будет подтверждено на БАК, что будет иметь невероятные последствия для того, как работает наша Вселенная в любом случае.
Удивительное свойство пентакварков и всевозможных экзотических состояний материи заключается не в том, что они существуют, а в том, что они позволяют нам раздвинуть границы физики еще дальше и исследовать границы наших самых священные теоретические предсказания. Самое волнующее высказывание, которое мы можем произнести в физике, - это «это смешно», как, должно быть, подумал Резерфорд более века назад. Каждый раз, когда мы так раздвигаем границы, мы создаем для себя новую возможность узнать, соответствует ли природа нашим ожиданиям или же в ней действительно есть что-то смешное.
В любом случае, когда мы узнаем что-то новое, подобное этому, мы все выигрываем.
Оставляйте свои комментарии на нашем форуме и поддержите Starts With A Bang на Patreon!