יפה ומקסים: פיזיקאים מגלים טטראקווארק חדש

מחקר חדש חושף את קיומו של טטראקווארק המורכב מקווארקי יופי וקסם, ומקדם את הידע שלנו על פיזיקת החלקיקים התת-אטומיים ואינטראקציות כוחות חזקות.

בבחינת התחום המורכב של חלקיקים תת-אטומיים, חוקרים במכון למדע מתמטי (IMSc) ובמכון טאטא למחקר יסודי (TIFR) פרסמו לאחרונה ממצא חדש בכתב העת מכתבי סקירה פיזית. המחקר שלהם מאיר אופק חדש בתוך כרומודינמיקה קוונטית (QCD), שופך אור על חלקיקים תת-אטומיים אקזוטיים ודוחף את גבולות ההבנה שלנו לגבי הכוח החזק.

הכוח החזק האניגמטי ועולם ההדרונים

בליבה של חקירה זו נמצא הכוח החזק הבסיסי החידתי, שיוצר כמעט את כל המסה של כל החומר הנראה ביקום. קומץ חלקיקים יסודיים, הידועים כקווארקים, העוסקים באינטראקציות מסקרנות על ידי החלפת גלוונים, יוצרים את כל החלקיקים התת-אטומיים המרוכבים שבסופו של דבר יוצרים את כל החומר הגלוי של היקום שלנו.

מרכזית בהבנה זו היא תורת הכרומודינמיקה הקוונטית (QCD), השולטת בדינמיקה של אינטראקציות חזקות. QCD מאפשר היווצרות של שילובים ניטרליים בצבע של קווארקים לחלקיקים תת-אטומיים המכונים באופן כללי האדרונים.

באופן מסורתי, האדרונים סווגו לשתי קטגוריות עיקריות: מזוונים, כגון פיונים, המורכבים מקווארק אחד ואנטיקווארק אחד, ובאריונים, כמו פרוטונים, המורכבים משלושה קווארקים. עם זאת, מעבר לקטגוריות הללו מסתתרים האדרונים אקזוטיים, כולל אלה עם ארבעה, חמישה או שישה קווארקים, ואפילו חלקיקים עם גלוונים, כגון כדורי דבק.

אולם, עד לאחרונה יחסית, קיומם של האדרונים האקזוטיים הללו נותר שטח לא ידוע בעיקר עבור פיסיקאי חלקיקים. במהלך העשור וחצי האחרונים, שלל גילויים ניסיוניים האירו את התחום המעורפל הזה בעבר, חושפים ספקטרום עשיר של האדרונים אקזוטיים שמתריסים נגד המושגים המקובלים של הכוח החזק ומאתגרים את ההבנה שלנו לגבי חלקיקים תת-אטומיים.

תצוגה סכמטית המראה את היווצרות Tbc באמצעות אינטראקציות של תחתית ומסונים של קסם. קרדיט: א' רדהקרישנן ו' ראג'

גילוי טטרקווארקים: גבול חדש בפיזיקה של חלקיקים

בין ההדרונים האקזוטיים הללו יש טטראקווארקים, המורכבים מארבעה קווארקים (ליתר דיוק, שני קווארקים ושני אנטי-קווארקים). הם יכולים להתקיים בצורות קומפקטיות מאוד או כמולקולות קשורות באופן רופף של שני מזוונים או משהו אחר: המבנים המדויקים שלהם נשארים בגדר תעלומה. הם גם נצפים אל האקזוטיות הנפוצות ביותר וצפוי שהרבה יותר יתגלו בעתיד. מחקרים תיאורטיים יכולים לסייע בגילוי אלה על ידי חיזוי תכולת הקווארקים וטווחי האנרגיה האפשריים שלהם.

בעבודה האחרונה הזו, חזו פרופ' נילמני מאתור ועמיתת פוסט-דוקטורט, ד"ר ארחנה רדהקרישנן, מהמחלקה לפיזיקה תיאורטית, TIFR, וד"ר מ. פדמנאת מ-IMSc את קיומו של טטראקווארק חדשני. החלקיק התת-אטומי החדש הזה מורכב מקווארקים של יופי וקווארקים יחד עם שני אנטי-קווארקים קלים, והוא שייך למשפחה של טטרקווארקים, הנקראים ט_{לִפנֵי הַסְפִירָה}: ה טטרקווארקים יפים-מקסימים.

הם השתמשו במתקן החישוב של יוזמת תורת מד הסריג ההודית (ILGTI) כדי לבצע את החישוב הזה. היווצרותו של הטטרקווארק הספציפי הזה נחקרה באמצעות האינטראקציות בין מסון תחתית לקסם. תוך שימוש בטכניקות וריאציות על פני מרווחי סריג מגוונים ומסות קווארק קלות ערכיות, מחקר זה חקר ערכי אנרגיה עצמיים של מערכות המזון המקיימות אינטראקציה בתוך נפחים סופיים, והגיע למסקנה על קיומו של טטראקווארק זה. בדומה לחלקיק החזוי יכולים להיות טטראקווארקים אחרים עם אותו תכולת קווארקים אך עם ספין ושוויון שונים.

תחזית זו מגיעה ברגע מקרי, במקביל לגילוי האחרון של טטראקווארק (ט_cc) המכילים שני קווארקי קסם ושני אנטיקווקים קלים. כתוצאה מכך, קיימת אפשרות ברורה שניתן בהחלט לגלות את החלקיק החזוי החדש או גרסה קשורה באמצעות מתודולוגיות ניסוי דומות, בהתחשב בכך שטווח האנרגיה והבהירות הנדרשים לייצור וזיהוי שלהם הופכים נגישים יותר ויותר.

יתר על כן, אנרגיית הקישור של החלקיק החזוי עולה על זו של כל טטראקווארקים שהתגלו והקשר נחלש ככל שמסת הקווארק הקל עולה, מה שמרמז על דינמיקה מורכבת של אינטראקציות חזקות על פני משטרי מסת קווארק מגוונים, כמו גם הבהרת המאפיינים המסקרנים של כוח חזק. בהיווצרות האדרונים במיוחד אלו עם קווארקים כבדים.

זה גם מביא למוטיבציה נוספת לחפש חלקיקים תת-אטומיים אקזוטיים כבדים יותר בניסויים של הדור הבא, שניתן לנצל אותם בפענוח הכוח החזק ופתיחת מלוא הפוטנציאל שלו.