"Drei Quarks für Muster Mark!", Schrieb James Joyce in seiner labyrinthischen Fabel.Finnegans Spur. Inzwischen haben Sie vielleicht dieses Zitat gehört - den kurzen, unsinnigen Satz, der den (noch unübertroffenen) grundlegendsten Bausteinen des Universums schließlich den Namen "Quark" gab. Die heutigen Physiker glauben, die Grundlagen der Kombination von Quarks zu verstehen. Drei verbinden sich zu Baryonen (alltägliche Teilchen wie Proton und Neutron), während zwei - ein Quark und ein Antiquark - zusammenhalten, um exotischere, weniger stabile Sorten zu bilden, die Mesonen genannt werden. Seltene Vier-Quark-Partnerschaften werden Tetraquarks genannt. Und fünf Quarks in einem zarten Tanz? Das wäre natürlich ein Pentaquark. Und der Pentaquark, bis vor kurzem nur eine Erfindung der Physik, wurde jetzt am LHC entdeckt!
Was ist die große Sache? Der Pentaquark ist nicht nur ein lustiges Wort, um es fünfmal so schnell zu sagen, sondern kann auch wichtige neue Informationen über die starke Atomkraft freischalten. Diese Enthüllungen könnten letztendlich die Art und Weise verändern, wie wir über unseren großartig dichten Freund, den Neutronenstern, denken - und in der Tat die Natur der vertrauten Materie selbst.
Physiker kennen sechs Arten von Quarks, die nach Gewicht geordnet sind. Das leichteste der sechs sind die Auf- und Ab-Quarks, aus denen die bekanntesten alltäglichen Baryonen bestehen (zwei Höhen und Tiefen im Proton und zwei Tiefen und Höhen im Neutron). Die nächst schwersten sind der Charme und die seltsamen Quarks, gefolgt von den oberen und unteren Quarks. Und warum dort aufhören? Zusätzlich hat jeder der sechs Quarks ein entsprechendes Antiteilchen oder Antiquark.
Ein wichtiges Merkmal beider Quarks und ihrer Gegenstücke gegen Partikel ist die sogenannte „Farbe“. Natürlich haben Quarks nicht die gleiche Farbe wie ein Apfel „rot“ oder der Ozean „blau“. Vielmehr ist diese Eigenschaft eine metaphorische Art, eines der wesentlichen Gesetze der subatomaren Physik zu kommunizieren - dass Quark-haltige Teilchen (Hadronen genannt) immer eine neutrale Farbladung tragen.
Zum Beispiel müssen die drei Komponenten eines Protons einen roten Quark, einen grünen Quark und einen blauen Quark enthalten. Diese drei „Farben“ addieren sich zu einem neutralen Partikel, so wie rotes, grünes und blaues Licht zusammen ein weißes Leuchten erzeugen. Ähnliche Gesetze gelten für den Quark und den Antiquark, aus denen ein Meson besteht: Ihre jeweiligen Farben müssen genau entgegengesetzt sein. Ein roter Quark wird nur mit einem antiroten (oder cyanfarbenen) Antiquark kombiniert und so weiter.
Auch der Pentaquark muss eine neutrale Farbladung haben. Stellen Sie sich ein Proton und ein Meson (speziell ein Typ, der als J / psi-Meson bezeichnet wird) zusammen - ein rotes, ein blaues und ein grünes Quark in einer Ecke und ein farbneutrales Quark-Antiquark-Paar in der anderen - für ein Insgesamt vier Quarks und ein Antiquark, deren Farben sich ordentlich aufheben.
Die Physiker sind sich nicht sicher, ob der Pentaquark durch diese Art der getrennten Anordnung erzeugt wird oder ob alle fünf Quarks direkt miteinander verbunden sind. In jedem Fall wird der Pentaquark wie alle Hadronen von diesem Titanen der fundamentalen Dynamik, der starken Kernkraft, in Schach gehalten.
Die starke Kernkraft ist, wie der Name schon sagt, die unbeschreiblich robuste Kraft, die die Komponenten jedes Atomkerns zusammenklebt: Protonen und Neutronen und vor allem ihre eigenen Quarks. Die starke Kraft ist so hartnäckig, dass „freie Quarks“ nie beobachtet wurden; Sie sind alle viel zu eng in ihren Elternbaryonen eingeschlossen.
Aber es gibt einen Ort im Universum, an dem Quarks an und für sich in einer Art meta-nuklearem Zustand existieren können: in einem außerordentlich dichten Typ eines Neutronensterns. In einem typischen Neutronenstern ist der Gravitationsdruck so enorm, dass Protonen und Elektronen aufhören zu sein. Ihre Energien und Ladungen verschmelzen und hinterlassen nichts als eine feste Masse von Neutronen.
Physiker haben vermutet, dass benachbarte Neutronen im Kern bei extremsten Dichten in den kompaktesten Sternen sogar selbst in ein Durcheinander von Bestandteilen zerfallen könnten.
Der Neutronenstern… würde ein Quarkstern werden.
Wissenschaftler glauben, dass das Verständnis der Physik des Pentaquarks Aufschluss darüber geben kann, wie die starke Kernkraft unter solch extremen Bedingungen arbeitet - nicht nur in solch zu dichten Neutronensternen, sondern vielleicht sogar in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall. Weitere Analysen sollten den Physikern auch helfen, ihr Verständnis dafür zu verfeinern, wie Quarks kombiniert werden können und nicht.
Die Daten, die zu dieser Entdeckung geführt haben - ein unglaubliches 9-Sigma-Ergebnis! - kam aus dem ersten Lauf des LHC (2010-2013). Da der Supercollider jetzt mit der doppelten ursprünglichen Energiekapazität arbeitet, sollten Physiker kein Problem damit haben, die Geheimnisse des Pentaquarks noch weiter zu entschlüsseln.
Einen Vorabdruck der Pentaquark-Entdeckung, der der Zeitschrift Physical Review Letters vorgelegt wurde, finden Sie hier.
