Neobična čestična struktura: šarmantni tetrakvark

LHCb, jedan od četiri glavna detektora CERN-ovog Velikog hadronskog sudarača, otkrio je strukturu od četiri šarmantna kvarka: jesu li to sijamski blizanci dviju čestica J/ψ ili punokrvni tetrakvark

Tvar se sastoji od atoma, a atomi od elektrona i atomskih jezgri. Jezgre se pak sastoje od nukleona, a nukleoni od kvarkova. Koliko danas znamo, tu je kraj priče o dijeljenju materije na sve sitnije sastojke. Kvarkovi nemaju sastavnih dijelova pa ih nazivamo elementarnim česticama.

Kao što postoje različite vrste atoma, njih barem 118, tako postoje i različite vrste kvarkova, njih točno šest: gornji (u), donji (d), šarmantni (c), strani (s), vršni (t) i dubinski (b). Svaki od njih ima svoju antičesticu. Antikvarkovi su, dakle: antigornji, antidonji, antišarmantni, antistrani, antivršni i antidubinski.

S obzirom da su kvarkovi daleko od svakodnevnog iskustva, onda su i daleko od zdravog razuma, koji proizlazi iz svakodnevnog iskustva. Ukratko, bizarni su do boli. Primjerice, kvant električnog naboja je e. To je najmanji iznos naboja koji može imati slobodna čestica, primjerice elektron ili proton. Električni naboj jednog kvarka je e/3 ili 2e/3, što nije u kontradikciji s prethodnom tvrdnjom zato što ne postoji slobodni kvark. To svojstvo ima naziv kvarkovsko sužanjstvo, a znači da u prirodi ne postoji jedan kvark kao zasebna čestica. Postoje ili strukture kvark-antikvark, koje nazivamo mezonima, ili strukture od tri kvarka, koje nazivamo barionima. Da bismo eventualno razdvojili, primjerice, kvark i antikvark jednog mezona, trebamo ulagati energiju. Međutim, kvarkovski sustav je jako čvrsto vezan pa uložena energija mora biti velika. Jako velika. Zapravo, tako velika da bude dovoljna za tvorbu novog para kvark-antikvark. Tek tada se prvobitni mezon raspada, ali uz izvorni kvark ostane vezan antikvark iz novostvorenog para. Isto tako, uz izvorni anikvark ostane vezan kvark iz novostvorenog para. Tako ste iz jednog mezona dobili dva mezona. Otprilike kao da raspolavljate šljivu i umjesto dvije polovice šljive dobijete dva komada voća neke druge vrste, recimo jednu breskvu i jedan ananas. Ako uspijete prepoloviti tu breskvu opet dobijete, recimo, jedan avokado i jedan kivi.

Nadalje, osim električnog naboja kvarkovi imaju još jednu vrstu naboja koju su fizičari nazvali bojom. Razlog je taj što postoje ne dvije nego tri vrste naboja boje: crvena, zelena i plava. A kombinacija te tri boje, u istim omjerima, daje bijelo odnosno bezbojnost. U barionu je svaki od tri kvarka različite boje tako da je svaki barion u cjelini bezbojan. U mezonu su oba kvarka iste boje, ali suprotnog predznaka (recimo crveni i anticrveni) što opet daje bezbojnost. Dakle, kvarkovi su obojeni, u prenesenom smislu naravno, ali se nikad ne pokazuju sami nego u kombinacijama koje su bezbojne. Kao glavni junak Murakamijevog romana Bezbojni Tsukuru Tazaki i njegove godine hodočašća.

Kvarkovski model, razvijen još 60-ih godina 20. stoljeća, predviđa bezbojne kombinacije kvarkova poput bariona i mezona. Primjer bariona je proton, a primjer mezona negativni pion. Ali to nisu jedine kombinacije kvarkova kojima se ostvaruje bezbojnost. Bezbojna bi bila i kombinacija tri kvarka različitih boja te jednog kvarka i antikvarka iste boje. Bila bi to čestica od pet kvarkova ili pentakvark. O pentakvarku sam za Bug pisao prije točno pet godina. Također, bezbojna bi bila i kombinacija od dva kvarka i dva antikvarka, tetrakvark. Takve čestice fizičari traže i, hm… nalaze. Doduše, upitno je jesu li to stvarno tetrakvark i pentakvark ili samo neka vrsta kvarkovskih molekula, u prvom slučaju “molekula” dva mezona, a u drugom “molekula” od od jednog mezona i jednog bariona. U svakom slučaju, radi se o jako kratkoživućem vezanom stanju više kvarkova koje se u fizici čestica uobičajeno naziva rezonancijom. Nema oštre crte između čestice i rezonancije. Manje-više je stavr dogovora hoćemo li sve kvarkovske sustave zvati česticama, ili ćemo tako zvati samo one kvarkovske vezane sustave koji žive dulje od nekog odabranog vremena poluraspada.

Detektor LHCb

Veliki hadronski sudarač (LHC) na CERN-u ima osam detektorskih sustava, od kojih su četiri velika: CMS, ALICE, ATLAS i LHCb. Za LHCb sam svojedobno napravio jednu studiju, još kao student na CERN-u 1997. godine, kad je eksperiment bio u fazi dizajna i pripreme. Gradnja je počela oko 2000. godine, a rad punim pogonom oko 2010. godine. Danas kolaboracija LHCb ima 1260 članova iz 16 zemalja i ostvarila je brojne rezultate objavljene u više od 200 znanstvenih radova.

B u nazivu dolazi od beauty, što je drugi naziv za bottom. U svakom slučaju, radi se o b-kvarku. LHCb bavi se b-fizikom ili fizikom b-kvarkova. Zato se eksperiment krasno zove “LHC ljepotica”. Uostalom, tko bi htio da mu se eksperiment zove “LHC guzica” (što je jedno od značenja riječi bottom).

Konačno tetrakvark?

Šest kvarkova međusobno se jako razlikuju po masama. Kvarkovi u i d (to su oni koji grade protone i neutrone, kvarkovi koje svi mi imamo u svojim atomskim jezgrama) imaju masu usporedivu s masom elektrona (ne baš istu, nešto malo veću). Kvark s je dvadesetak puta masivniji, a kvark c oko 200 puta masivniji. Masa c-kvarka usporediva je s masom protona. Onda po masi dođe b-kvark koji je oko 1000 puta masivniji od najlakših kvarkova. I na masenog niza je t-kvark koji još 40-ak puta masivniji od b-kvarka. Da bismo eksperimentirali s t-kvarkovima trebao bi nam akcelerator još moćniji od LHC-a. Takvog zasad nema. Ali je zato b-kvark u domeni LHC-a i zato LHCb istražuje b-fiziku.

Ali u domeni b-fizike su i kvarkovski sustavi s c-kvarkovima. Prvi takav, najmanje mase koji uključuje šarm, je čestica J/ψ. To je mezon sastavljen od c-kvarka i c-antikvarka, poznat i kao šarmonij. E sad, slično kao što dva atoma vodika, H, u dovoljno bliskom kontaktu formiraju molekulu vodika, H2, tako i dva šarmonija formiraju nekakav šarmonijonij, sustav dvije čestice J/ψ. Taj kvarkovski sustav jako kratko živi pa je opravdano reći da je to rezonancija. U nekom širem smislu možemo reći i da je to čestica.

Ono što fizičare zanima je kako su ta dva c-kvarka i dva c-antikvarka međusobno povezani. Je li to brak četiri potpuno ravnopravna partnera ili je to susret dva svingerska para ili kratkotrajno druženje dva para od kojih svaki ima vlastitu čvrstu bračnu vezu. Znanstveni rad koji je nedavno objavila kolaboracija LHCb pokazuje da čestična struktura satavljena od dva c-kvarka i dva c-antikvarka pouzdano postoji. No kako su točno ta četiri kvarka povezana, na koji način kvarkovi izmjenjuju gluone (medijatore jake sile), e to još ne znamo dovoljno dobro. Još ne znamo je li opravdano taj sustav zvati tetrakvark ili to tek kvarkovska molekula sastavljena od dvije čestice J/ψ. I to nije tek jedno akademsko pitanje. To je je važan dio slagalice u našem razumijevanju temeljnih čestica i interakcija. Iz toga proizlazi cijela fizika, a iz fizike kemija, iz kemije biologija i konačno mi sami.

Dario Hrupec docent je na Odjelu za fiziku Sveučilišta u Osijeku. Bavi se visokoenergijskom gama-astronomijom. Član je međunarodnih kolaboracija MAGIC i CTA. Autor je brojnih udžbenika iz fizike te znanstveno-popularizacijskih knjiga “Protiv nadnaravnoga” i “Ažurirani svemir”.