Ba quark cho Muster Mark!, James đã viết James Joyce trong truyện ngụ ngôn mê cung của mình,Finnegan từ Wake. Đến bây giờ, bạn có thể đã nghe câu trích dẫn này - câu ngắn gọn, vô nghĩa mà cuối cùng đã đặt tên là Quark phạm cho Vũ trụ (như chưa vượt qua) hầu hết các khối xây dựng cơ bản. Ngày nay, các nhà vật lý học của Pa-ri tin rằng họ hiểu những điều cơ bản về cách các quark kết hợp; ba liên kết với nhau để tạo thành baryon (các hạt hàng ngày như proton và neutron), trong khi hai - một quark và phản vật chất - dính vào nhau tạo thành các giống kỳ lạ hơn, kém ổn định hơn gọi là meson. Quan hệ đối tác bốn quark hiếm được gọi là tetraquarks. Và năm quark ràng buộc trong một điệu nhảy tinh tế? Đương nhiên, đó sẽ là một pentaquark. Và pentaquark, cho đến gần đây, một hình ảnh đơn thuần của truyền thuyết vật lý, giờ đã được phát hiện tại LHC!
Vậy thỏa thuận lớn nào? Không chỉ là một từ thú vị để nói nhanh gấp năm lần, pentaquark có thể mở khóa thông tin mới quan trọng về lực lượng hạt nhân mạnh mẽ. Những tiết lộ này cuối cùng có thể thay đổi cách chúng ta nghĩ về người bạn dày đặc tuyệt vời của chúng ta, ngôi sao neutron - và, thực sự, bản chất của chính vật chất quen thuộc.
Các nhà vật lý biết sáu loại quark, được sắp xếp theo trọng lượng. Nhẹ nhất trong số sáu là các quark lên và xuống, tạo nên các baryon hàng ngày quen thuộc nhất (hai lần lên xuống trong proton, và hai lần xuống và lên trong neutron). Nặng nhất tiếp theo là sự quyến rũ và quark lạ, tiếp theo là quark trên và dưới. Và tại sao dừng lại ở đó? Ngoài ra, mỗi trong số sáu quark có một chất chống hạt hoặc phản hạt tương ứng.
Một thuộc tính quan trọng của cả quark và các đối tác chống hạt của chúng là một thứ gọi là màu. Tất nhiên, các quark không có màu giống như cách bạn có thể gọi một quả táo đỏ đỏ hay màu xanh biển Dương; đúng hơn, tính chất này là một cách ẩn dụ để truyền đạt một trong những định luật cơ bản của vật lý hạ nguyên tử - rằng các hạt chứa quark (được gọi là hadron) luôn mang điện tích màu trung tính.
Chẳng hạn, ba thành phần của một proton phải bao gồm một quark đỏ, một quark xanh và một quark xanh. Ba màu sắc này được cộng lại thành một hạt trung tính giống như cách ánh sáng đỏ, lục và lam kết hợp với nhau để tạo ra ánh sáng trắng. Các luật tương tự được áp dụng cho quark và antiquark tạo nên một meson: màu sắc tương ứng của chúng phải hoàn toàn ngược lại. Một quark đỏ sẽ chỉ kết hợp với một antiquark chống đỏ (hoặc lục lam), v.v.
Pentaquark cũng vậy, phải có điện tích màu trung tính. Hãy tưởng tượng một proton và một meson (cụ thể, một loại được gọi là meson J / psi) liên kết với nhau - một quark đỏ, xanh lam và xanh lục ở một góc, và một cặp quark-antiquark trung tính màu ở bên kia - cho một tổng cộng có bốn quark và một antiquark, tất cả các màu trong đó gọn gàng triệt tiêu lẫn nhau.
Các nhà vật lý không chắc chắn liệu pentaquark được tạo ra bởi kiểu sắp xếp tách biệt này hay liệu tất cả năm quark được liên kết trực tiếp với nhau; dù bằng cách nào, giống như tất cả các hadron, pentaquark được kiểm soát bởi titan động lực cơ bản đó, lực hạt nhân mạnh.
Lực hạt nhân mạnh, đúng như tên gọi của nó, là lực mạnh nhất có thể kết dính các thành phần của mọi hạt nhân nguyên tử: proton và neutron và, đặc biệt hơn là các quark cấu thành của chúng. Lực lượng mạnh mẽ ngoan cường đến mức mà quark Free quark không bao giờ được quan sát thấy; tất cả họ đều bị giới hạn quá chặt trong phạm vi cha mẹ của họ.
Nhưng có một nơi trong Vũ trụ nơi các hạt quark có thể tồn tại trong chính chúng, trong một loại trạng thái siêu hạt nhân: trong một loại sao neutron cực kỳ dày đặc. Trong một ngôi sao neutron điển hình, áp lực hấp dẫn rất lớn đến mức các proton và electron ngừng hoạt động. Năng lượng và điện tích của chúng tan chảy cùng nhau, không để lại gì ngoài một khối neutron vừa khít.
Các nhà vật lý đã phỏng đoán rằng, ở mật độ cực lớn, trong các sao nhỏ nhất, các neutron liền kề trong lõi thậm chí có thể tự tan rã thành một mớ hỗn độn của các bộ phận cấu thành.
Ngôi sao neutron sẽ trở thành một ngôi sao quark.
Các nhà khoa học tin rằng sự hiểu biết về vật lý của pentaquark có thể làm sáng tỏ cách thức lực hạt nhân mạnh hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt như vậy - không chỉ trong các ngôi sao neutron quá dày đặc như vậy, mà có lẽ ngay cả trong các phân đoạn đầu tiên của giây sau Vụ nổ lớn. Phân tích sâu hơn cũng sẽ giúp các nhà vật lý tinh chỉnh sự hiểu biết của họ về những cách mà quark có thể và không thể kết hợp.
Dữ liệu đã dẫn đến khám phá này - một kết quả 9-sigma khổng lồ! - ra khỏi LHC Lần chạy đầu tiên (2010-2013). Với siêu tàu hiện đang hoạt động với công suất năng lượng ban đầu gấp đôi, các nhà vật lý sẽ không có vấn đề gì làm sáng tỏ những bí ẩn của pentaquark hơn nữa.
Một bản in lại của phát hiện pentaquark, đã được gửi đến tạp chí Vật lý Đánh giá, có thể được tìm thấy ở đây.
