Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 44 (vyšlo 3. listopadu, ročník 1 (2003)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Objev hadronu složeného z pěti kvarků

Michal Stránský

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 = +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

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.

Antidecuplet

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

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage