Γλοιόνιουμ (glueball): ένα σωματίδιο φτιαγμένο από ισχυρή δύναμη

Posted on 23/10/2015

0


Nucleons consist (left) of quarks (matter particles) and gluons (force particles). A glueball (right) is made up purely of gluons

Nουκλεόνια (αριστερά) αποτελούνται από κουάρκ (σωματίδια ύλης) και γλοιόνια (φορείς της ισχυρής δύναμης). Ένα γλοιόνιουμ ή glueball (δεξιά) συνίσταται μόνο από γλοιόνια

Τα γλοιόνια (γλουόνια ή γκλουόνια – gluons) είναι τα σωματίδια – φορείς της ισχυρής αλληλεπίδρασης. Πρόκειται για μποζόνια, έχουν σπιν 1, μηδενική μάζα ηρεμίας και είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Κάτι σαν τα φωτόνια, τους οι φορείς της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης, αλλά λίγο πιο περίπλοκα.

Η κολλώδης μπάλα – glueball  ή gluonium, θα το λέμε γλοιόνιουμ από δώ και πέρα,  είναι ένα σωματίδιο αποτελούμενο μόνο από γλοιόνια, χωρίς κουάρκ. Μια τέτοια κατάσταση είναι δυνατή διότι τα γλοιόνια φέρουν χρωματικό φορτίο και «αισθάνονται» την ισχυρή δύναμη. Τα glueballs – γλοιόνιουμ είναι εξαιρετικά δύσκολο να ταυτοποιηθούν στους επιταχυντές σωματιδίων, επειδή αναμιγνύονται με τις συνήθεις καταστάσεις μεσονίων (που αποτελούνται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ).

Για δεκαετίες οι φυσικοί έψαχναν για τα γλοιόνιουμ και τώρα φαίνεται πως επιτέλους τα ανίχνευσαν. Επειδή είναι εξαιρετικά ασταθή ο εντοπισμός τους γίνεται έμμεσα, αναλύοντας τα προϊόντα της διάσπασής τους. Μιας διάσπασης που ακόμα δεν έχει κατανοηθεί πλήρως.

Οι  Anton Rebhan και Frederic Brünner χρησιμοποίησαν μια νέα θεωρητική προσέγγιση για τη διάσπαση του γλοιόνιουμ. Τα αποτελέσματά τους συμφωνούν απόλυτα με τα πειραματικά δεδομένα, αποδεικνύοντας ότι ο συντονισμός που ανιχνεύθηκε σε διάφορα πειράματα και ονομάζεται “f0(1710)”, στην πραγματικότητα εκφράζει το σωματίδιο γλοιόνιουμ.

Το 1972, λίγο μετά τη διατύπωση της θεωρίας των κουάρκ και γλοιονίων, οι Murray Gell-Mann και Harald Fritsch έκαναν υποθέσεις σχετικά με την δυνατότητα ύπαρξης δέσμιων καταστάσεων μεταξύ γλοιονίων μόνο. Αρκετά σωματίδια έχουν βρεθεί σε πειράματα επιταχυντών σωματιδίων που θα μπορούσαν να θέσουν υποψηφιότητα για γλοιόνιουμ, αλλά δεν υπήρξε ποτέ μια επίσημη επιστημονική αποδοχή ότι τα σήματα που καταγράφηκαν θα μπορούσαν να είναι αυτά τα μυστηριώδη σωματίδια φτιαγμένα από τους φορείς της ισχυρής δύναμης. Τα σήματα θα μπορούσαν να ερμηνευθούν επίσης και ως ένας συνδυασμός κουάρκ και αντικουάρκ. Τα γλοιόνιουμ ή glueballs είναι πολύ βραχύβια για να ανιχνευθούν απευθείας. Αν αυτά υπάρχουν, τότε μπορούν να ταυτοποιηθούν μόνο διαμέσου των προϊόντων της διάσπασής τους.

Η παράξενη διάσπαση του f0(1710)

«Δυστυχώς η εξέλιξη της διάσπασης του γλοιόνιουμ δεν μπορεί να προσδιοριστεί με αυστηρότητα», λέει ο Anton Rebhan. Υπολογισμοί σε απλοποιημένα μοντέλα έδειξαν ότι στην πραγματικότητα υπάρχουν δυο υποψήφιοι για τα γλοιόνιουμ: τα μεσόνια που ονομάζονται  f0(1500) και f0(1710).

To τελευταίο έχει μεγαλύτερη μάζα, η οποία βρίσκεται σε συμφωνία με τις προσομοιώσεις των υπολογιστών, αλλά όταν διασπάται παράγει πολλά βαριά κουάρκ – τα αποκαλούμενα παράξενα κουάρκ. Για πολλούς φυσικούς στοιχειωδών σωματιδίων αυτό φαινόταν απίθανο, γιατί οι αλληλεπιδράσεις γλοιονίων συνήθως δεν κάνουν διακρίσεις μεταξύ βαρύτερων και ελαφρύτερων κουάρκ.

Οι Anton Rebhan και Frederic Brünner έκαναν ένα σημαντικό βήμα για την επίλυση του προβλήματος επιχειρώντας μια διαφορετική προσέγγιση. Υπάρχουν θεμελιώδεις συνδέσεις μεταξύ των κβαντικών θεωριών που περιγράφουν τη συμπεριφορά των σωματιδίων στο τρισδιάστατο κόσμο μας και θεωριών βαρύτητας σε υψηλότερες διαστάσεις. Αυτό σημαίνει ότι ορισμένες ερωτήσεις κβαντικής φυσικής μπορούν να απαντηθούν χρησιμοποιώντας εργαλεία από την φυσική της βαρύτητας.

«Οι υπολογισμοί μας δείχνουν ότι είναι δυνατόν το γλοιόνιουμ να διασπάται κυρίως σε παράξενα κουάρκ» λέει ο Anton Rebhan. Παραδόξως, το θεωρητικό μοντέλο διάσπασης σε δυο ελαφρύτερα σωματίδια συμφωνεί εξαιρετικά καλά με τα πειραματικά δεδομένα του f0(1710). Και επιπροσθέτως, είναι δυνατές κι άλλες διασπάσεις σε περισσότερα από δυο σωματίδια, των οποίων οι ρυθμοί διάσπασής έχουν υπολογιστεί επίσης.

Αναμένονται σύντομα περισσότερα δεδομένα

Μέχρι σήμερα αυτές οι εναλλακτικές διασπάσεις του γλοιόνιουμ δεν έχουν μετρηθεί, αλλά σε λίγους μήνες δύο πειράματα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN (ΤΟΤΕΜ και LHCb) και ένα πείραμα σε επιταχυντή στο Πεκίνο (BESIII) αναμένεται να δώσουν νέα δεδομένα.

«Τα αποτελέσματα αυτά θα είναι ζωτικής σημασίας για τη θεωρία μας», λέει ο Anton Rebhan. «Για αυτές τις διαδικασίες πολλών σωματιδίων, η θεωρία μας προβλέπει σταθερές διάσπασης εντελώς διαφορετικές από τις προβλέψεις άλλων απλούστερων μοντέλων. Εάν οι μετρήσεις συμφωνούν με τους υπολογισμούς μας, τότε αυτό θα είναι μια σημαντική επιτυχία για την προσέγγισή μας. Θα ήταν μια αδιαφιλονίκητη απόδειξη ότι το f0 (1710) είναι ένα γλοιόνιουμ». Και εκτός από αυτό, θα αποδεικνυόταν για άλλη μια φορά ότι η θεωρία βαρύτητας υψηλότερων διαστάσεων μπορεί να χρησιμοποιηθεί και να απαντήσει ερωτήσεις σωματιδιακής φυσικής.

πηγή: www.tuwien.ac.at – http://arxiv.org/pdf/1504.05815v3.pdf