نوع جدیدی از ذره با پنج کوارک در آزمایش‌های LHCb دیده شده است

پروتون از سه کوارک تشکیل شده است و مزون‌ها از یک کوارک و یک پادکوارک ساخته می‌شوند. اما چه پیکربندی‌های دیگری از کوارک‌ها و پادکوارک‌ها می‌تواند ذره بسازد؟ از دیدگاه نظری، پاسخ به این سوال دشوار است. هنوز ذرات جدیدی با ترکیبات مختلف کوارک‌ها از آزمایش‌ها بیرون می‌آیند. آخرین آن‌‌ها که توسط زیباییِ برخورد‌دهنده بزرگ هادرونی (LHCb) در سرن گزارش شده است، یک پنتاکوارک است- ترکیبی دیده نشده از پنج کوارک شامل یک پروتون و یک جفت کوارک سنگینِ افسون‌charm-پاد‌ افسون[1]. آشکارسازی این ذره نوعی غافلگیری بود: گرچه وجود پنتاکوارک به بازبینی مدل استاندارد فیزیک ذرات نیاز ندارد اما جستجوهای قبلی برای پنتاکوارکی که از کوارک‌های سبکتر تشکیل شده باشد یا بی نتیجه بود یا به کشف ذرات کاندیدی می‌رسید که قابل بازتولید نبودند [2]. با مطالعه‌ی این شکل جدید از کوارک، فیزیکدان‌ها در مورد نیروهای پیچیده‌ی موجود بین کوارک‌ها چیزی بیشتری می‌آموزند.

شکل1: محققان آزمایش‌های LHCb نوع جدیدی از ذره با پنج کوارک موسوم به پنتاکوارک را کشف کرده‌اند. این شکل دو احتمال ممکن برای ساختار داخلی پنتاکوارک را نشان می‌دهد. در سمت چپ پنج کوارک در یک سیستم کروی قویاً به هم وابسته هستند. در سمت راست ذره از یک مزون (کره‌ی آبی رنگ) که به طور ضعیف به پروتون (کره‌ی نارنجی) مقید است ساخته شده است.

مفهوم ذرات چند کوارکی جدید نیست[3]. اما دهه‌ها پس از اینکه مدل کوارکی ارائه شد فقط دو دسته از ذرات با برهمکنش قوی شناخته شده بود: باریون‌ها (مانند پروتون‌ها و نوترون‌ها) که سه کوارک دارند و مزون‌ها. تنها در دهه‌ی اخیر بود که دانشمندان شروع به مشاهده ذرات جدیدی کردند که در مدل کوارکی نمی‌گنجیدند مانند X(3872) [4] و Z_c(3900) (خبر 17 ژوئن 2013 را ببینید) که حدود 4 برابر سنگین‌تر از پروتون هستند.Z_c(3900) به مزون افسون-پاد افسون (با نام J/ѱ ) و یک مزون سبک واپاشی می‌کند که نشان می‌دهد این ذره از دو کوارک و دو پادکوارک تشکیل شده است. مشاهده‌ی این حالت چهارکوارکی –یا تتراکوارک- حاکی از آن بود که سایر حالت‌های چندکوارکی، مانند پنتا کوارک‌های سنگین هم ممکن است وجود داشته باشند [5]. اما یافتن آن‌ها تبدیل به چالشی شده بود. ذرات نادر به سوزن در انبار کاه معروف هستند چرا که دانشمندان باید آن‌ها را از میان بیشمار ذره‌ی به جا مانده از برخوردهای پرانرژی شکار کنند. در آزمایش‌ LHCb دو پروتون با انرژی‌های خیلی زیاد برخورد کرده و گاهی ذرات مرکبی تولید می‌کنند که دارای یک کوارک سنگینِ تهbottom  هستند و نزدیک به خط پرتو باقی می‌مانند. ذرات کوارک-ته‌ای پس از طی مسافت کوتاهی به ذرات دیگری مانند پنتا کوارک به همراه مزون K واپاشی می‌کنند و به وسیله یک سری از آشکارسازها انتخاب می‌شوند. گام مهمی که به آشکارساز LHCb اجازه داد تا پنتاکوارک کاندیدی را تشخیص دهد، جستجوی اختصاصی محصولاتِ ذره‌ی کوارک تهِ λ_b بود. طول عمر کوارک ته آنقدر هست که قبل از واپاشی، از نقطه‌ی برخورد پروتون-پروتون دور شود. پژوهشگران با استفاده از واپاشی λ_b به عنوان یک فیلتر توانستند پنتاکوارک‌های جدید- یا در واقع حاصل واپاشی آن‌‌ها- را در فاصله‌ای که به حد کافی از شلوغی ذرات پسماند دور باشد مشاهده کنند.

هر دو پنتاکوارکی که LHCb رصد کرده است حالت‌های تشدید انرژی از پروتون و ذره‌ی J/ѱ هستند و لذا به آن‌ها پنتاکوارک افسونی charmonioum pentaquark گفته می‌شود. به طور تخصصی‌تر، اسامی آن‌‌ها P_C(4450)+ و  P_C(4380)+ است که اعدادشان، طبق قرارداد، جرم ذرات بر حسب مگاالکترون ولت را نشان می‌دهد.

طبیعتاً سوالی که پیش می‌آید این است که چه ترکیب دیگری از کوارک‌ها- به جز حالت تشدید یک پروتون و  J/ѱ که پژوهشگران LHCb فرض می‌کنند- می‌تواند یک تشدید پنتاکوارکی بسازد؟ به عنوان مثال، در طول یک دهه گذشته نظریه پردازان پیش بینی کردند [6] که پنتاکوارک ممکن است از یک پروتون و یک مزون φ- یک جفت کوارک شگفت strange-پاد شگفت- ساخته شده باشد. اما این نوع از پنتاکوارک هرگز در جستجوهای آزمایشگاهی پیدا نشد. به طور مشابه، ترکیبی تشدیدی از نوترون و مزون K⁺ ، به نام پنتاکوارکِ θ₊، تقریباً دو دهه قبل پیش بینی شد. اما علیرغم پژوهش‌های پرهزینه‌ی آزمایشگاهی بازهم وجود این ذره تائید نشد (به جز ادعایی که توسط آزمایش لیزر الکترون فوتون در ژاپن مطرح شد و به شدت مورد بحث و جدل قرار گرفت [2]). در واقع ترکیبات زیادی از کوارک‌ها می‌تواند یک پنتاکوارک بسازد، اما تنها نوع دیده شده تاکنون پنتاکوارک افسونی است که در LHCb یافت شده است. چه چیزی آن را تا این اندازه منحصر به فرد می‌کند؟

پاسخ کوتاه این است که نمی‌دانیم! نیروهای بین کوارک‌ها پیچیده هستند و توصیف دقیق یک سیستم چند کوارکی با استفاده از نظریه‌ی نیروی قوی یا همان کرومودینامیک کوانتومی QCD، مسئله‌ی فوق العاده سختی است. پژوهشگران به کمک نظریه‌ی پیمانه‌ای شبکه‌ای پیشرفت‌های خوبی در این رابطه داشته‌اند. این نظریه اجازه می‌دهد تا با روش‌های عددی در QCD، طیف سنجی (حالت‌های تشدید انرژی) ذراتِ با برهمکنش قوی را انجام دهیم [7]. اگرچه حتی با این تقریب هم محاسبات نظری، پنتاکوارکِ LHCb  را پیش‌بینی نکرد. در مجموع، نظریه درک خوبی از ذرات تتراکوارک سنگین به دست نمی‌دهد[8].

اگرچه پیش‌بینی‌های LHCb از پنتاکوارک، قبل از کشف تقریباً مبهم آن بوده است، توضیحات نظریِ پس-از-وقوع نیز پا به عرصه ظهور گذاشته‌اند[9]. محققان LHCb در تلاش برای تعبیر داده‌هایشان‌‌ [1] فرض می‌کنند که پنتاکوارک ممکن است یک سیستم (کروی) شدیداً مقید از همه‌ی پنج کوارک باشد (شکل 1، چپ) یا سیستمی «مولکولی» باشد که از بستگی ضعیف باریون و یک مزون تشکیل شده است (شکل 1، راست). بسیاری از مدل‌های نظری جدید[9] از نوع مولکولی هستند و نیروی پدیده شناختیِ مزون-باریون را شامل می‌شوند.

بدون وجود نظریه‌ای قابل اعتماد برای برهمکنش چند کوارکی، هنوز در این فکر باقی می‌مکانیم که چرا پنتاکوارک افسونی وجود دارد اما پنتاکوارک‌های کم جرم‌تر که از کوارک‌های سبک ساخته شده باشند تا به حال دیده نشده است. یکی از حقایق واضح در این مورد آن است که همه‌ی انواع شناخته شده از تتراکوارک و پنتاکوارک‌ها به ذره‌ی J/ѱ به اضافه‌ی مزون‌های سبک دیگر واپاشی می‌کنند. به نظر می‌رسد همانگونه که نظریه‌پردازها پیش بینی کرده‌اند،کوارک‌های سنگین افسون در J/ѱ برای تولید بستگی کافی بین کوارک‌های سبک و تشکیل حالت‌های چندکوارکی ضروری هستند. بر طبق معادلات QCD، نیروی قوی «کور طعم» است یعنی نیرو بدون توجه به اینکه کوارک افسون یا کوارکی با طعم دیگر در بین باشد یکسان عمل می‌کند. این نشان می‌دهد که خاصیتی از کوارک افسون که باعث تشکیل حالت‌های مقید چند کوارکی می‌شود احتمالاً جرم آن است [10].

اگر چنین باشد، باید انتظار داشته باشیم که هیچ پنتاکوارکی از کوارک‌های سبک تشکیل نشود اما ترکیبات بسیاری از کوارک‌های افسون و کوارک سنگین‌ترِ ته امکانپذیر باشد.

با مطالعه‌ی پنتاکوارک‌ها و تتراکوارک‌ها چیزهای بیشتری در مورد راه‌ حل‌های نظریه‌ی بس ذره‌ایِQCD  خواهیم یافت. کشف LHCb سرآغاز مهمی در درک ما از نیروی قوی، که کم شناخته‌ترین نیرو بین چهار نیروی طبیعت است، خواهد بود.

این تحقیق در Physical Review Letters به چاپ رسیده است.

منبع

Elusive Pentaquark Comes into View

مراجع

1. R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), “Observation of J∕ψP Resonances Consistent with Pentaquark States in Λ0b→J/ψK−p Decays,” Phys. Rev. Lett. 115, 072001 (2015).
2. K. H. Hicks, “On the Conundrum of the Pentaquark,” Eur. Phys. J. H 37, 1 (2012).
3. R. L. Jaffe, “Multiquark Hadrons I: Phenomenology of Q2Q̄ 2 Mesons,” Phys. Rev. D 15, 267 (1977).
4. S.-K. Choi et al. (Belle Collaboration), “Observation of a Narrow Charmoniumlike State in Exclusive B±→K±π+π−J/ψ Decays,” Phys. Rev. Lett. 91, 262001 (2003).
5. S. J. Brodsky and R. F. Lebed, “QCD Dynamics of Tetraquark Production,” Phys. Rev. D 91, 114025 (2015).
6. H. Gao, T.-S. H. Lee, and V. Marinov, “φ-N Bound State,” Phys. Rev. C 63, 022201 (2001).
7. J. J. Dudek, R. G. Edwards, D. G. Richards, and S. J. Wallace, “Excited State Baryon Spectroscopy from Lattice QCD,” Phys. Rev. D 84, 074508 (2011).
8. S. L. Olsen, “A New Hadron Spectroscopy,” Front. Phys. 10, 101401 (2015).
9. See, for example, R. F. Lebed, arXiv:1507.05867 and references therein.
10. T.E.O. Ericson and G. Karl, “Strength of Pion Exchange in Hadronic Molecules,” Phys. Lett. B 309, 426 (1993).