Keistasis kvarkų pasaulis: nukleonai ir nauja dalelių klasė

Jau seniai žinoma, kad kvarkai grupuojasi po du ir po tris. Dviejų kvarkų dalelės vadinamos mezonais, o trijų kvarkų – barionais. Su šiais tikriausiai esate pažįstami, nes viską aplink ir mus pačius sudaro protonai ir neutronai, t. y., barionai. Norėčiau pakalbėti apie tai ir apie neseniai atrastų naujų dalelių, sudarytų iš keturių kvarkų, keliamas implikacijas.

Nukleonai (medžiaga, sudaranti branduolius, pavyzdžiui, protonai ir neutronai) keisti jau patys savaime, nors daugelis juos ir laiko gana paprastais. Klasikiniu požiūriu, protonai susideda iš dviejų aukštyn kvarkų ir vieno žemyn kvarko, tuo tarpu neutronai atvirkščiai – iš vieno aukštyn kvarko ir dviejų žemyn. Abu nukleonus laiko gliuonai, perduodantys stipriąją branduolinę sąveiką. Viskas paprasta ir aišku, teisingai?

Neteisingai. Toks paveikslėlis tinka tik tada, kai kalbama apie krūvius, o pradėjus šneką apie nukleonų masę, šis klasikinis paveikslėlis subyra. Tikrovėje nukleonai daug dinamiškesni ir pašėlę. Iš tiesų, kvantinės chromodinamikos (trumpiau – QCD) lygčių, naudojamų vidinei nukleonų sandarai aprašyti, nežmoniškai sudėtingiems nukleonams paprasčiausiai nepakanka.

Nukleonai susideda iš kunkuliuojančios sąveikaujančių dalelių jūros. Kaip jau minėta, protone yra 2 aukštyn kvarkai ir vienas žemyn kvarkas (neutrone – atvirkščiai); bet abiejuose nukleonuose yra galybė papildomų kvarkų ir antikvarkų porų, krūvos gliuonų, netgi keletas keistųjų kvarkų. Visi jie zvimbia aplink beveik šviesos greičiu, susidurdami vienas su kitu ir kurdami naujas daleles, tuo pačiu metu laikomi stipriosios branduolinės sąveikos, o pats nukleonas neturi griežtai apibrėžtos ribos. Kai šios dalelių poros viena kitą anihiliuoja, kvarkai ir antikvarkai savo vietoje sukuria du gliuonus, arba atvirkščiai – du gliuonai susidūrę sukuria kvarką ir antikvarką. Gliuonų emisija ar absorbcija taip pat gali nutikti spontaniškai. Pagal šį scenarijų, gliuonas ir kvarkas gali susidurti, sukurdami kvarką ir du gliuonus, arba atvirkščiai.

© CERN

Kitas klasikinis atomo branduolio vaizdas su nukleonais

Protono ir neutrono masės labai artimos, – atitinkamai 0,93827 GeV/c² ir 0,93957 GeV/c², – bet neutronas vos vos masyvesnis. Protono krūvis teigiamas, neutronas krūvio neturi. Gliuonai neturi masės, kvarkų masė labai maža (aukštyn kvarkai „sveria“ ~2 MeV/c², žemyn kvarkai ~5 MeV/c²) ir dalinį krūvį. Gliuonai krūvio neturi (tik spalvos savybę), o kvarkų ir antikvarkų poros neturi neto krūvio. Kaip matote, imant domėn visus šiuos faktorius, aktyvi subatominė veikla kelia gana didelį iššūkį, siekiant nustatyti, iš ko tiksliai susideda nukleono masė.

Kadangi viskas, ką žinome, sudaryta iš nukleonų, jų masės energijos sudėties nustatymas yra svarbus. Geriausiu mūsų supratimu, nukleonai masę gauna iš kvarkų, kvarkų ir antikvarkų porų, pačių dalelių kinetinės energijos, ir netgi iš stipriosios sąveikos energijos (ar ji būtų teigiama ar neigiama), surišančios viską draugėn. Visas šis aktyvumas nukleonų viduje kvantiniame lygyje kinta atsitiktinai.

Tad iš trijų kvarkų sudarytų pažįstamų dalelių modelis toli gražu nėra tobulas. Jei tai dar nepakankamai beprotiška, Pekino spektromentro (Beijing Spectrometer – BESIII) darbo grupė (kurioje dalyvauja mokslininkai iš Havajų universiteto Mānoa), anksčiau paskelbė apie paslaptingos dalelės iš keturių kvarkų Zc(3900) atradimą 2013 balandį. Šiuos atradimus buvo įmanoma padaryti tik kruopščiai tiriant Y(4260) dalelę. Pirmiausia jie pastebėjo Zc(3900) dalelę, o po to – Zc(4020). Dar vėliau skilimo produktuose jie aptiko elektriškai neutralią X(3872). Jos mums įdomios, nes kol kas nėra tikslaus teorinio modelio šių naujos šeimos dalelių tiksliam aprašymui.

© CERN

Dalelių vidus atrodo daugmaž taip.

Zc(3900) dalelė ypač įdomi. Ji buvo užfiksuota, kaip Y(4260) skilimo produktas. Jos masė rodo, kad tai elektriškai neutralus mezonas, susidedantis iš dviejų priešingo krūvio kvarkų, vadinamo žavingojo ir antižavingojo. Bet pažymėtina, kad abi komandos išsiaiškino, kad Zc(3900) elektrinį krūvį turi! Jokia dviejų ar trijų kvarkų kombinacija negali paaiškinti Zc(3900) krūvio ir masės.

Ši dalelė veda fizikus prie išvados, kad ji susideda iš keturių kvarkų: žavingojo ir antižavingojo, bei aukštyn ir antižemyn, kurie ypatingai lengvi ir kartu sukuria teigiamą krūvį. Dabar darbuojamasi, stengiantis aprašyti šias naujos klasės daleles viena, visaapimančia struktūra. Galiausiai, šios naujos keturių kvarkų dalelės gali padėti suprasti stipriąją branduolinę sąveiką, ir jos vaidmenį po Didžiojo sprogimo buvusioje kvarkų gliuonų plazmoje, iš kurios kilo dabar egzistuojanti materija.

Tyson McVicar
www.fromquarkstoquasars.com