— Published on 25/07/2015 / Bug.hr.
Prošli je tjedan CERN-ova kolaboracija LHCb izvijestila o svojem opažanju pentakvarka. Mnogi su znalci podozrivo reagirali na tu vijest. Pentakvark!? Opet? Naime, otkriće pentakvarka bila je objavila, još 2003. godine, japanska kolaboracija LEPS. Ubrzo nakon toga još je nekoliko grupa izvijestilo da u svojim podacima vidi pentakvark. Među njima i troje zagrebačkih fizičara s Instituta Ruđer Bošković. A onda je deset neovisnih eksperimenata pokušalo potvrditi te rezultate. Neuspješno. Ispalo je da pentakvark ne postoji. Particle Data Group, najveći autoritet za fiziku čestica koji periodično objavljuje status područja, Review of particle physics (neka vrsta biblije elementarnih čestica), za 2008. godinu napisao je da je priča o pentakvarku "jedna zanimljiva epizoda u povijesti znanosti". Sedam godina kasnije, evo pentakvarka opet.
Što je uopće taj famozni pentakvark? Radi se o hipotetskoj subatomskoj čestici (i dalje hipotetskoj, dok ne dođe bar još jedna neovisna potvrda) koja se sastoji od pet kvarkova. Točnije, od četiri kvarka i jednog antikvarka. Sam kvark je elementarna čestica, kao i elektron, što znači da nema unutrašnju strukturu. Kvark je, po današnjim spoznajama, najmanji mogući dio tvari – onaj koji sam nema dijelove.
Stari su Grci zamišljali takve najsitnije djeliće materije, koji se ne daju dalje dijeliti, i nazivali su ih atomima (od atomon što znači nedjeljiv). U znanosti je ideja atoma usvojena tek dva milenija kasnije, kad je John Dalton, početkom 19. stoljeća, pomoću atoma objasnio stalne omjere u kemijskim reakcijama. Onda je početkom 20. stoljeća Ernest Rutherford otkrio da je atom uglavnom prazni prostor koji se sastoji od elektronskog omotača i sićušne atomske jezgre u kojoj je gotovo sva masa atoma. Pa je onda došlo doba nuklearne fizike u kojem je detaljno istražena sama atomska jezgru. Pokazalo se da se jezgra ili nukleus sastoji od manjih čestica – nukleona. I da ti nukleoni nisu svi isti, nego da postoje dvije vrste. Jedni imaju naboj suprotan naboju elektrona, po dogovoru pozitivan, i njih nazivamo protonima. Drugi su električki neutralni i njih nazivamo neutronima.
Protoni i neutroni, dakle, grade atomske jegre, a elektroni s atomskim jezgrama grade atome. Atomi pak grade nas i svijet oko nas. No, daleko od toga da je elementarni sastav svijeta tako jednostavan. Istražujući interakcije nukleona fizičari su pomalo otkrivali sve više i više čestica, cijeli zvjerinjak. Za razliku od protona i elektrona, sve su one bile nestabile – nastajale su i ponovo nestajale. Neke se imale veću masu, neke manju, neke su živjele dulje, neke kraće. Prava zbrka.
Red u tu zbrku uveli su, 1964. godine, Murray Gell-Mann i George Zweig. Oni su, neovisno, bili predložili kvarkovski model prema kojem se teške čestice – stručno nazvane hadroni – sastoje od sitnijih čestica koje su nazvali kvarkovima. Ti kvarkovi su elementarne čestice, nemaju sastavne dijelove, ali postoje u šest varijanti koje nazivamo okusima: gornji, donji, čarobni, strani, vršni i dubinski. Dodatna je komplikacija da svaki od okusa ima jednu od TRI vrste naboja boje. Tako svaki okus može doći u jednoj tri boje: crvenoj, plavoj ili zelenoj. Te "boje", naravno, nemaju nikakve veze s bojama iz svakodnevnog života. Postoji doduše jedna analogija. Jednaki intenzitet crvene, plave i zelene dokida boju, uzrokuje bezbojnost. E, pa hadroni su bezbojne čestice, kao što su atomi električki neutralni (dokinu im se unutrašnji pozitivni i negativni električni naboji).
Boje su dakle vrste kvarkovskog naboja, a bezbojnost hadrona može se najlakše postići na dva načina: kombinacijom tri kvarka od kojih je jedan crveni, drugi plavi, a treći zeleni ili kombinacijom kvarka i antikvarka (jedan je recimo plavi, a drugi antiplavi). Hadrone sastavljene od tri kvarka nazivamo barionima, a hadrone sastavljene od kvarka i antikvarka mezonima. Kombiniranjem raznih kvarkova u mezone i barione dobije se cijela gomila čestica, kao što se kombiniranjem atoma u molekule dobije mnoštvo različitih spojeva. Jedna je bitna razlika: atomi mogu postojati kao samostalni objekti, a kvarkovi ne. Iz nekog bizarnog, samo prirodi znanog, razloga kvarkovi ne žele biti sami. Ako pokušamo "razbiti" hadron, a to je ono što fizičari svakodnevno rade u sudaračima čestica, onda se uložena energija materijalizira u nove parove kvark-antikvark i ti novi kvarkovi se sa starima samo preslože u druge kombinacije čestica.
Da skratim priču, još je Gell-Mann, 1964. godine, shvatio da bi se bezbojnost hadrona mogla ostvariti i na druge, složenije, načine. Recimo, kombiniranjem dva kvarka i dva antikvarka. Takva čestica ne bi bila ni barion ni mezon nego tetrakvark. Ili još malo složenije, kombiniranjem četiri kvarka i jednog antikvarka dobio bi se pentakvark. Kad su eksperimentalni fizičari koji se bave elementarnim česticama pohvatali svu učestalu zvjerad, dostupne barione i mezone, i kad su dovoljno usavršili svoje ubrzivače i sudarače, krenuli su u lov na rijetke zvijerke – tetrakvarkove i pentakvarkove.
Kao što sam rekao na početku, euforija oko pentakvarka trajala je na samom početku 21. stoljeća. A onda je došlo zatišje. Pa je sad kolaboracija LHCb u svojim podacima pronašla nešto što je prepoznato kao pentakvark. A što je najbolje, LHCb uopće nije za cilj imao lov na pentakvark, za razliku od CMS-a (drugog od četiri velika detektora LHC-a) koji je za cilj imao upravo lov na Higgsovu česticu. LHCb je bio dizajniran da traži odgovor na pitanje o asimetriji materije i antimaterije. Davne 1997. proveo sam par mjeseci na CERN-u i dao mali doprinos provjeri dizajna jednog dijela tog ogromnog detektora. Te je iste godine teorijski predviđen onaj pentakvark kojega je 2003. godine navodno našao japanski LEPS.
A sad ću s iznošenja činjenica prijeći na iznošenje mišljenja. Postoji li pentakvark? Rekao bih da LHCb jest našao kratkotrajno vezano stanje pet kvarkova. Pitanje je samo kako su vezani. Ako su svih pet vezani na ravnopravan način, onako kako su vezana tri kvarka u barionu, onda je to pravi pentakvark. To je zanimljivija od dvije mogućnosti. U tom ćemo slučaju o temeljnoj građi svijeta naučiti neke potpuno nove stvari. Druga, malo manje zanimljiva mogućnost, na koju bih se ja ziheraški kladio, jest da se radi o nekoj vrsti "molekule", mezon-barion molekuli. U tom su slučaju jedan mezon i jedan barion kratkotrajno vezani u jednu cjelinu poput dva atoma u jednoj molekuli.
Obratite pažnju na riječ kratkotrajno. Pentakvark je rezonancija. Živi otprilike 10–24 sekundi. Mion je elementarna čestica koja živi otprilike 10–6 sekundi, što je 1018 puta dulje od pentakvarka. Inače, mioni u atmosferi neprekidno nastaju pod utjecajem kozmičkih zraka. Dakle, i o mionu, koji živi milijuntinku sekunde, i o pentakvarku, koji živi milijardu milijardi puta kraće govorimo kao o česticama. Za usporedbu, dvojni patuljasti planet Pluton-Haron je vezani sustav koji "živi" otprilike četiri milijarde godina. Milijardu milijardi puta kraće od toga je otprilike desetinka sekunde. To je vrijeme koje je letjelica New Horizons provela na jednom kilometru svoje putanje kad je bila najbliže Plutonu. Taj dio putanje približno se poklapa s nekom zamišljenom orbitom koju bi New Horizons imao kao Plutonov umjetni satelit. Možemo čak ići tako daleko i reći da je u toj desetinki sekunde New Horizons i bio Plutonov umjetni satelit, odnosno da su Pluton i New Horizons bili kratkotrajno vezani sustav, nešto poput rezonancije. E sad, iz promjene brzine – po smjeru i iznosu – letjelice nakon prolaska možemo saznati kakva je bila interakcija tog kratkotrajno vezanog sustava: je li interakcija bila jaka (pa se brzina letjelice značajno promijenila) ili je bila slaba (pa nije bilo gotovo nikakve promjene brzine). Na isti način fizičari iz kratkotrajno vezanog sustava pet kvarkova, a na temelju opažanja čestica nastalih raspadom tog sustava, mogu saznati kakva je bila interakcija kvarkova. Pitanje je, dakle, jesu li pet kvarkova ravnopravno međudjelovali jakom silom (i formirali pentakvark) ili su jedan barion i jedan mezon imali samo "prolet" (i kratkotrajno formirali mezon-barion molekulu), baš poput Plutona i letjelice New Horizons. Odgovor bi trebao doći iz daljnje analize podataka, poboljšanja teorija koje opisuju njihovo međudjelovanje te iz novih eksperimenata.
Autor zahvaljuje dr. sc. Saši Ceciju na korisnim savjetima.