| |
Michal Stránský: Objev hadronu složeného z pěti kvarků
V posledních měsících se nahromadilo množství dat
z experimentů svědčících o existenci exotického baryonu, který by se měl skládat
z pěti kvarků. Kvarky jsou částice ze kterých se skládají hadrony. Kvarků známe
celkem šest: up, down, strange, charm, beauty,
truth (seřazeno podle vzrůstající hmotnosti) a ke každému kvarku existuje
jeho antikvark. Současná fyzika rozděluje hadrony, tj. částice skládající se z kvarků,
na mezony a baryony. Mezony se skládají z jednoho kvarku a jednoho antikvarku.
Baryony se skládají ze tří kvarků, mezi nejznámější patří proton (uud) a neutron (udd).
Teorie popisující silnou interakci, tj. interakci kvarků, se nazývá kvantová
chromodynamika (QCD). Každý kvark se v této teorii vyskytuje ve třech barevných
variantách. Nejde o skutečnou barvu, ale o kvantové číslo, kterým se liší
jednotlivé varianty téhož kvarku. V přírodě se kvarky mohou skládat jen do nebarevné (bílé)
kombinace. Nejjednodušší je složení mezonů, jde o kombinaci kvark-antikvark (barva-antibarva). Další možností je trojice různě barevných kvarků, která
dá ve výsledku bílou (například RGB). Takto jsou tvořeny baryony. Kvantová
chromodynamika nezakazuje ani kombinaci pěti kvarků, nicméně dosud byly
známy jenom částice ze dvou a tří kvarků. Hadrony, které by se neskládaly ze dvou
či tří kvarků, byly pojmenovány exotické.
|
Kvark - základní stavební kámen hadronů, částic
podléhajících silné interakci.
Hadron - částice složené z kvarků, dělí se na mezony a baryony.
Mezon - částice složená ze dvou kvarků (kombinace kvark
- antikvark).
Pion - mezon s nulovým spinem složený z kvarků u a d.
Baryon - částice složená ze tří kvarků.
Nukleon - částice jádra, baryon složený z kvarků u a d.
Jde protony a neutrony.
QCD - Quantum Chromodynamics, kvantová chromodynamika, teorie
silné interakce. Kvarky interagují prostřednictvím polních částic silné
interakce - gluonů.
Baryonové číslo - kvantové číslo, které charakterizuje
baryony. Každý kvark má B = 1/3, antikvark B = −1/3. Výsledné baryonové číslo
mezonů je proto 0, baryonů +1, antibaryonů −1.
|
Experimentální indicie
Nedávno ohlásily čtyři skupiny experimentátorů (například LEPS v Japonsku a Jeffersonova
laboratoř v Ohiu) pozorování
baryonu s antikvarkem
s (podivnost S = +1, náboj
Q = +1).
Antikvark s má ale záporné baryonové číslo B = −1/3.
Aby daná částice byla baryonem (baryonové číslo B = 1), musela by obsahovat pět kvarků. Předpokládané složení této částice je tedy:
uudds,
tato částice byla pojmenovaná Θ+ a její hmotnost
byla stanovena na přibližne 1 540 MeV, tj. asi o 60% víc než má proton. To, že se
daný baryon neskládá ze tří kvarků, plyne i ze způsobu jeho rozpadu silnou
interakcí na neutron a K+ mezon.
Vznik pentakvarku a jeho následný rozpad (Ohio University).
Teoretické modely a předpovědi
V roce 1962 vytvořil Tony Skyrm z Birminghamské Univerzity teorii efektivního
pole, ve které ukázal, že semiklasická teorie pionového pole vede na osamocenou
(solitonovou) vlnu, napodobující s velkou věrností nukleon a jiné
málo hmotné baryony. O dva roky později, s příchodem QCD, tato
teorie upadla do zapomnění až do roku 1983, kdy Edward Witten ukázal, že její
úspěchy pro silnou interakci nízkých energií mohou být vysvětleny za pomoci QCD.
V roce 1997 skupina teoretiků z Petrohradského Institutu jaderné fyziky
(Dimitrij Diakonov, Viktor Petrov, Maxim Poljakov) upravila Skyrmeho
teorii pro tří-vůňovou symetrii tří nejlehčích kvarků u, d
a s. Petrohradští fyzici ukázali, že se kombinace těchto kvarků dají zobrazit do diagramu,
který nazvali "antidekuplet" (viz obrázek). Toto jméno pochází ze jména staršího
diagramu „dekuplet“ fyzika Gell-Manna pro tříkvarkové baryony se spinem 3/2,
předpona anti vyjadřuje skutečnost, že je diagram obrácený, a
v jeho vrcholu není nejtěžší, ale nejlehčí částice. Tuto částici ve vrcholu
petrohradští fyzici nazvali Θ+ a určili pro ni řadu
vlastností včetně hmotnosti, která jim vyšla 1 530 MeV. Jejich výpočty rovněž
ukázaly, že by její životnost měla být dostatečně dlouhá, aby v hmotnostním
spektru byla rezonanční čára dostatečné úzká pro identifikaci (toto je přímý
důsledek Heisebergovy relace neurčitosti, která v tomto případě říká, že ΔE·Δt
≥ ħ/2). Od té chvíle začali experimentátoři částici hledat a jak bylo uvedeno výše,
její nalezení ohlásily již čtyři experimentální skupiny.
Antidekuplet: Diagram kombinace kvarku u, d a s v Skyrmeho modelu.
Závěr
Experimentální pozorování rozpoutala řadu teoretických
debat, dalších modelů a analýz dat ze starších experimentů. Jedna skupina z MIT
navrhla model, podle kterého by tato částice byla tvořena ze dvou velmi korelovaných
dvoukvarků ud a z jednoho antikvarku
s. I tato teorie, i když
se snažila vyhnout některým nedostatkům teorie inspirované Skyrmem, má v sobě nedostatky.
V každém případě tyto události vnášejí nové světlo do částicové fyziky,
i když není v tuto chvíli jasné, co je správně.
Odkazy
|
|
