“Tre kvarker for Muster Mark !,” skrev James Joyce i sin labyrintiske fabel,Finnegan's Wake. Nå har du kanskje hørt dette sitatet - den korte, nonsensiske setningen som til slutt ga navnet ”quark” til universets (så langt uovertruffen) mest grunnleggende byggesteiner. Dagens fysikere mener at de forstår det grunnleggende om hvordan kvarker kombineres; tre går sammen for å danne baryoner (hverdagspartikler som proton og nøytron), mens to - en kvark og et antikvark - klistrer seg sammen for å danne mer eksotiske, mindre stabile varianter kalt mesoner. Sjeldne partnerskap med fire kvark kalles tetraquarks. Og fem kvarker bundet i en delikat dans? Naturligvis ville det være en pentakvark. Og pentaquarken, inntil nylig bare et fysiologisk uttrykk, er nå blitt oppdaget på LHC!
Så hva er det som gjør det? Langt fra bare å være et morsomt ord å si fem ganger så raskt, kan pentaquark låse opp viktig ny informasjon om den sterke atomkraften. Disse avsløringene kan til slutt endre måten vi tenker på vår ypperlig tette venn, nøytronstjernen - og faktisk arten av kjent materie i seg selv.
Fysikere kjenner til seks typer kvarker, som er sortert etter vekt. De letteste av de seks er opp- og ned-kvarkene, som utgjør de mest kjente hverdagsbaryoner (to oppturer og nedturer i protonet, og to nedturer og en opp i nøytronet). De neste tyngste er sjarmen og rare kvarkene, etterfulgt av topp- og bunnkvarkene. Og hvorfor stoppe der? I tillegg har hver av de seks kvarkene en tilsvarende antipartikkel, eller antikvark.
Et viktig attributt for begge kvarkene og deres motpartikler er noe som kalles "farge." Selvfølgelig har kvarker ikke farge på samme måte som du kan kalle et eple "rødt" eller havet "blått"; snarere er denne egenskapen en metaforisk måte å kommunisere en av de essensielle lovene i subatomisk fysikk - at kvarkholdige partikler (kalt hadroner) alltid har en nøytral fargeladning.
For eksempel må de tre komponentene i en proton inkludere en rød kvark, en grønn kvark og en blå kvark. Disse tre "fargene" legger opp til en nøytral partikkel på samme måte som rødt, grønt og blått lys kombineres for å skape en hvit glød. Tilsvarende lover er på plass for kvarken og antikvarken som utgjør en meson: deres respektive farger må være nøyaktig motsatt. En rød kvark vil bare kombineres med en antirød (eller cyan) antikvark, og så videre.
Pentaquarken må også ha en nøytral fargeladning. Se for deg en proton og en meson (spesifikt, en type som kalles en J / psi-meson) bundet sammen - en rød, en blå og en grønn kvark i det ene hjørnet, og et fargenøytralt kvark-antikvarkspar i det andre - for en totalt fire kvarker og en antikvark, hvor alle farger pent avbryter hverandre.
Fysikere er ikke sikre på om pentaquark er opprettet av denne typen segregerte ordninger eller om alle fem kvarkene er bundet direkte sammen; Uansett, som alle hadrons, holdes pentaquarken i sjakk av den titanen av grunnleggende dynamikk, den sterke kjernekraften.
Den sterke kjernekraften, som navnet tilsier, er den usigelig robuste kraften som limer sammen komponentene i hver atomkjern: protoner og nøytroner og, mer avgjørende, deres egne bestanddeler. Den sterke styrken er så seig at "frie kvarker" aldri har blitt observert; de er alle innelukket altfor stramt innenfor foreldrene.
Men det er ett sted i universet hvor kvarker kan eksistere i og for seg selv, i en slags metukjerne tilstand: i en usedvanlig tett type nøytronstjerne. I en typisk nøytronstjerne er gravitasjonstrykket så enormt at protoner og elektroner slutter å være. Deres energier og ladninger smelter sammen og etterlater ingenting annet enn en tett masse nøytroner.
Fysikere har antatt at ved ekstreme tettheter, i den mest kompakte av stjerner, kan tilstøtende nøytroner i kjernen til og med selv gå i oppløsning i et virvar av bestanddeler.
Nøytronstjernen ... ville bli en kvarkstjerne.
Forskere mener at forståelse av fysikken i pentaquark kan kaste lys over hvordan den sterke kjernefysiske styrken opererer under så ekstreme forhold - ikke bare i så altfor tette nøytronstjerner, men kanskje også i de første brøkdelene av et sekund etter Big Bang. Ytterligere analyse bør også hjelpe fysikere med å avgrense forståelsen av måtene kvarker kan og ikke kan kombinere.
Dataene som ga opphav til denne oppdagelsen - et heidundrende 9-sigma-resultat! - kom ut av LHCs første løp (2010-2013). Når superkollideren nå jobber med det dobbelte av sin opprinnelige energikapasitet, skal fysikere ikke ha noe problem med å avdekke mysteriene til pentaquark enda lenger.
En forhåndstrykk av pentaquark-funnet, som er sendt til tidsskriftet Physical Review Letters, finner du her.
