פנטאקווארק

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

פנטאקווארק הוא חלקיק תת-אטומי, שקיימים חילוקי דעות לגבי קיומו. הוא מורכב מחמישה קווארקים (בהשוואה לשלושה קווארקים בבאריונים רגילים ושניים במזונים), או ליתר דיוק ארבעה קווארקים ואנטי-קווארק אחד. מספר ניסויים הראו כי לפנטאקווארק צפויה מסת כ-1540 MeV. אף על פי שמספר ניסויים הוכיחו את קיומו, ניסויים נוספים שניסו לשחזר את התוצאה לא הצליחו למצוא אותו ולהוכיח את קיומו.

לקווארקים יש מספר באריוני של 13+, ולאנטיקווארקים של 13–, לפנטאקווארק יהיה מספר באריוני כולל של 1, וכך הוא יהיה באריון. יתר על כן, מכיוון שיש בו חמישה קווארקים במקום השלושה הרגילים שנמצאים בבריונים רגילים (כלומר 'טריקווארק'), הוא מסווג כבאריון אקזוטי. את השם פנטאקווארק טבעו קלוד ג'יגנו[1] וצבי ליפקין בשנת 1987.[2] עם זאת, האפשרות של חלקיקים בעלי חמישה קווארקים זוהתה כבר בשנת 1964 כאשר מארי גל-מאן הניח לראשונה את קיומם של קווארקים.[3] אף על פי שנחזו במשך עשרות שנים, התברר שקשה להפליא לגלות פנטקווארקים, וכמה פיזיקאים החלו לחשוד שחוק טבע לא ידוע מונע את ייצורם.[4]

קיומו הוצע על ידי מקסים פוליאקוב, דמיטרי דיאקונוב וויקטור פטרוב בשנת 1997,[5] בעקבות עבודות קודמות שלהן היה שותף גם הפיזיקאי הישראלי צבי ליפקין.[6]

הטענה הראשונה לגבי גילוי של פנטאקווארק תועדה ב-LEPS שביפן בשנת 2003, ומספר ניסיונות באמצע שנות ה-2000 גם דיווחו על גילויים של מצבי פנטאקווארק אחרים.[7] אחרים לא היו מסוגלים לשכפל את התוצאות של LEPS, ואילו תגליות הפנטאקווארק האחרות לא התקבלו בגלל נתונים וניתוחים סטטיסטיים ירודים.[8] ב-13 ביולי 2015, קבוצת LHCb ב-CERN דיווחה על תוצאות העולות בקנה אחד עם מצבי פנטאקווארק בדעיכה של באריון למבדה תחתון ( 0bΛ).[9] ב-16 במרץ 2019, קבוצת LHCb הכריזה על גילוי של פנטאקווארק חדש, שלא נצפה לפני כן.[10] התצפיות עברו את סף ה-5 סיגמה שנדרשות כדי לטעון על גילויים של חלקיקים חדשים.

מחוץ למעבדות של פיזיקת חלקיקים, פנטאקווארקים יכולים להיות מופקים באופן טבעי על ידי סופרנובה, כחלק מהתהליך של יצירת כוכב נייטרונים.[11] המחקר המדעי של פנטאקווארקים עשוי להציע תובנות לגבי יצירתם של כוכבים אלה, וכן לאפשר מחקר מעמיק יותר של יחסי גומלין בין החלקיקים לבין הכוח החזק.

הפנטאקווארק הראשון שנראה בניסוי, עם הסימון +Θ, מורכב על-פי הסברה, משני קווארקי למעלה, שני קווארקי למטה, ואנטיקווארק מוזר (uudds).

רקע[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – קווארק

קווארק הוא סוג של חלקיק אלמנטרי שיש לו מסה, מטען חשמלי ומטען צבע, וכן מאפיין נוסף שנקרא טעם, המתאר איזה סוג של קווארק הוא (למעלה, למטה, מוזר, קסם, עליון או תחתון). בשל השפעה המכונה כליאת צבעים, קווארקים לעולם אינם נראים בעצמם. במקום זאת, הם יוצרים חלקיקים מרוכבים המכונים הדרונים, כך שמטעני הצבע שלהם מתבטלים. הדרונים העשויים מקווארק אחד ואנטיקווארק אחד ידועים כמזונים, ואילו אלה העשויים משלושה קווארקים ידועים כבריונים. הדרונים ה'רגילים' הללו מתועדים ומאופיינים היטב; עם זאת, בתאוריה, אין דבר שמונע מקווארקים להפוך להדרונים 'אקזוטיים' כמו טטראקווארקים עם שני קווארקים ושני אנטיקווארקים, או פנטקווארקים עם ארבעה קווארקים ואנטיקווארק אחד.[4]

מבנה[עריכת קוד מקור | עריכה]

five circles arranged clockwise: blue circle marked "c", yellow (antiblue) circle marked "c" with an overscore, green circle marked "u", blue circle marked "d", and red circle marked "u".
דיאגרמה של סוג ה-P +c של פנטאקווארק שאולי התגלה ביולי 2015, שמראה את הטעמים של כל קווארק, ושילוב צבעים אפשרי אחד.

מגוון רחב של פנטאקווארקים הוא אפשרי, כאשר שילובי קווארקים שונים מפיקים חלקיקים אחרים. כדי לזהות אילו קווארקים מרכיבים פנטאקווארק נתון, פיזיקאים משתמשים בסימון qqqqq, כאשר q ו-q בהתאמה, מתייחסים לכל אחד מששת הטעמים של קווארקים ואנטיקווארקים. הסימנים u, d, s, c, b ו-t מתכוונים ללמעלה (up), למטה (down), מוזר (strange), קסום (charm), תחתון (bottom) ועליון (top), בהתאמה, והסימנים d, u, s, c, b ו-t מתייחסים לאנטיקווארקים המתאימים. לדוגמה, פנטאקווארק שמורכב משני קווארקים למעלה, קווארק למטה אחד, קווארק קסום אחד ואנטיקווארק קסום אחד ירשם uudcc.

הקווארקים מקושרים ביחד על ידי הכוח החזק, שמתנהג בצורה כזאת במטרה לבטל את מטעני הצבעים בתוך החלקיק. במזון, המשמעות של כך היא שקווארק משותף לאנטיקווארק עם מטען צבע נגדי – כחול ואנטיכחול, לדוגמה – כאשר בבאריון, לשלושת הקווארקים יש ביניהם את כל שלושת מטעני הצבעים – אדום, כחול וירוק.[12] בפנטאקווארק, הצבעים גם צריכים להתבטל, והשילוב האפשרי היחיד הוא כשיש קווארק אחד עם צבע אחד (לדוגמה, אדום), קווארק אחד עם צבע שני (לדוגמה, ירוק), שני אנטיקווארקים עם הצבע השלישי (לדוגמה, כחול), ואנטיקווארק אחד כדי לנטרל את הצבע העודף (לדוגמה, אנטיכחול).[13]

נכון לעכשיו, מנגנון השילוב של פנטאקווארקים לא ברור היטב. הם עשויים להיות מורכבים מחמישה קווארקים קשורים היטב זה לזה, אך ייתכן שהם קשורים באופן רופף יותר ומורכבים מבאריון של שלושה קווארקים ומזון של שני קווארקים, אשר מתקשרים באופן יחסית חלש זה עם זה באמצעות חילופי פיונים (אותו כוח שקושר את גרעין האטום) ב"מולקולת מזון-בריון".[3][14][15]

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

אמצע שנות ה-2000[עריכת קוד מקור | עריכה]

הדרישה שנחוצה כדי לכלול אנטיקווארק פירושה שקשה לזהות בצורה ניסויית סוגים רבים של פנטאקווארק – אם טעמו של האנטיקווארק תואם את טעמו של כל קווארק אחר בחמישייה, הוא יתבטל והחלקיק יהיה דומה להדרון בן שלושה קווארקים. מסיבה זו, חיפושי פנטאקווארקים מוקדמים חיפשו חלקיקים שבהם האנטיקווארק לא בוטל.[16] באמצע שנות ה-2000 טענו כמה ניסויים כי הם חשפו מצבי פנטאקווארק. בפרט דווח על תהודה עם מסה של 1540 MeV/c2 ב-LEPS בשנת 2003, בעל הסימון +Θ.[17] ממצא זה חפף למצב פנטאקווארק עם מסה של 1540 MeV/c2 שנחזה בשנת 1997.[18]

המצב המוצע מורכב משני קווארקי למעלה, שני קווארקי למטה ואנטיקווארק מוזר (uudds). בעקבות הכרזה זו, 9 מחקרים עצמאיים נוספים דיווחו על כך שראו פסגות צרות מ-nK+ ו-pK0, עם מסות שנעות בין 522 MeV/c2 ו-1555 MeV/c, כאשר כל התוצאות הן בעלות מסות יותר גדולות מ-4 σ.[17] אף על פי שהיו חששות לגבי אמינותם של מצבים אלה, ה-PDG נתן ל-+Θ דירוג של 3 כוכבים (מתוך 4) במאמר סקירת פיזיקת החלקיקים משנת 2004.[17] שני מצבי פנטאקווארק נוספים דווחו, אם כי עם מובהקות סטטיסטית נמוכה יותר מהשאר, ה-Φ– –,[19] בעל מסה של 1860 MeV/c2, וה-Θ 0c,[20] בעל מסה של 3099 MeV/c2. מאוחר יותר, התגלה כי שניהם היו אפקטים סטטיסטיים, מאשר תהודות אמיתיות.[17]

10 ניסויים חיפשו אחר ה-+Θ אבל לא הצליחו למצוא אותו.[17] שניים במיוחד (אחד מהם ב-Belle והאחר ב-CLAS) היו כמעט בעלי אותם תנאים כמו ניסויים אחרים שטענו כי זיהו אותו (DIANA ו-SAPHIR, בהתאמה).[17] סקירת פיזיקת החלקיקים משנת 2006 סיכם כי:

לא היה אישור בעל נתונים סטטיסטיים גבוהים על אף אחד מהניסויים המקוריים שטענו כי הם רואים את ה-+Θ; היו שתי חזרות סטטיסטיות גבוהות של מעבדת ג'פרסון שהראו בבירור כי הטענות החיוביות המקוריות בשני המקרים הללו שגויות; היו מספר ניסויים אחרים בעלי נתונים סטטיסטיים גבוהים, שאף אחד מהם לא מצא שום הוכחה ל-+Θ; וכל הניסיונות לאשר את שני האחרים טענו כי מצבי פנטאקווארק הובילו לתוצאות שליליות. המסקנה היא שפנטאקווארקים באופן כללי, ו-+Θ, במיוחד, אינם קיימים.

המקור באנגלית
[T]here has not been a high-statistics confirmation of any of the original experiments that claimed to see the +Θ; there have been two high-statistics repeats from Jefferson Lab that have clearly shown the original positive claims in those two cases to be wrong; there have been a number of other high-statistics experiments, none of which have found any evidence for the +Θ; and all attempts to confirm the two other claimed pentaquark states have led to negative results. The conclusion that pentaquarks in general, and the +Θ, in particular, do not exist, appears compelling.

סקירת פיזיקת החלקיקים משנת 2008 הרחיק לכת אפילו עוד יותר:[8]

ישנם שניים או שלושה ניסויים אחרונים שמוצאים עדויות חלשות לאותות ליד המסות הנומינליות, אך פשוט אין טעם להכניס אותם לטבלאות לנוכח הראיות המוחלטות כי הפנטאקווארקים הנטענים אינם קיימים... כל הסיפור - התגליות עצמן, גל הגאות של עיתונים של תיאורטיקנים ופנומנולוגים שבאו בעקבותיו, ו"אי הגילוי" בסופו של דבר - הוא פרק מוזר בתולדות המדע.

המקור באנגלית
There are two or three recent experiments that find weak evidence for signals near the nominal masses, but there is simply no point in tabulating them in view of the overwhelming evidence that the claimed pentaquarks do not exist... The whole story—the discoveries themselves, the tidal wave of papers by theorists and phenomenologists that followed, and the eventual "undiscovery"—is a curious episode in the history of science.

למרות "תוצאות האפס" הללו, התוצאות של LEPS המשיכו להראות את קיומו של מצב צר עם מסה של 1524±4 MeV/c2, עם מובהקות סטטיסטית של 5.1 σ.[21]

תוצאות LHCb מ-2015[עריכת קוד מקור | עריכה]

דיאגרמת פיינמן מייצגת את דעיכתו של בריאון למבה 0bΛ אל תוך K ופנטאקווארק +cP.

ביולי 2015, צוות LHCb ב-CERN זיהה פנטאקווארקים באפיק Λ 0b→J/ψK p שמייצג את דעיכתו של באריון למבה התחתון (Λ 0b) אל תוך מזון J/ψ, קאון (K ) ופרוטון (p). התוצאות הראו שלפעמים, במקום שהדעיכה תקרה דרך מצבי למבדה בינוניים, ה-Λ 0b דועך דרך מצבי פנטאקווארק בינוניים. לשני המצבים, שקרויים (P +c(4380 ו-(P +c(4450, מובהקות סטטיסטית של 9 σ ו-12 σ, בהתאמה, ומובהקות משולבת של 15 σ – מספיק כדי לטעון גילוי פורמלי. הניתוח שלל את האפשרות שההשפעה נגרמה על ידי חלקיקים קונבנציונליים.[3] שני מצבי הפנטקווארק נצפו דועכים ל-J/ψp, ולכן הם חייבים להיות בעלי תוכן קווארק ולנסי של שני קווארקים למעלה, קווארק למטה, קווארק קסום ואנטיקווארק קסום (uudcc) מה שהופך אותם לצ'ארמוניום-פנטאקוורקים.[9][11][22]

החיפוש אחר פנטקווארקים לא היה מטרה של ניסוי LHCb (שנועד בעיקר כדי לחקור א-סימטריית חומר-אנטי חומר)[23] והגילוי לכאורה של פנטקווארקים תואר כ"תאונה "ו"משהו שנתקלנו בו" על ידי רכז הפיזיקה של הניסוי.[14]

מחקרי פנטאקווארקים בניסויים אחרים[עריכת קוד מקור | עריכה]

תוצאות LHCb מ-2019[עריכת קוד מקור | עריכה]

יישומים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא פנטאקווארק בוויקישיתוף

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ Gignoux, C.; Silvestre-Brac, B.; Richard, J. M. (16 ביולי 1987). "Possibility of stable multiquark baryons". Physics Letters B 193 (2): 323–326. Bibcode:1987PhLB..193..323G. doi:10.1016/0370-2693(87)91244-5. 
  2. ^ H. J. Lipkin (1987). "New possibilities for exotic hadrons — anticharmed strange baryons". Physics Letters B 195 (3): 484–488. Bibcode:1987PhLB..195..484L. doi:10.1016/0370-2693(87)90055-4. 
  3. ^ 1 2 3 "Observation of particles composed of five quarks, pentaquark-charmonium states, seen in Λ 0b→J/ψpK decays". CERN/LHCb. 14 ביולי 2015. בדיקה אחרונה ב-14 ביולי 2015. 
  4. ^ 1 2 H. Muir (2 ביולי 2003). "Pentaquark discovery confounds sceptics". New Scientist. בדיקה אחרונה ב-8 בינואר 2010. 
  5. ^ D. Diakonov, V. Petrov and M.V. Polyakov, Z. Phys. A359, 305 (1997)
  6. ^ H. J. Lipkin (1987). "New possibilities for exotic hadrons — anticharmed strange baryons". Physics Letters B 195 (3): 484–488. doi:10.1016/0370-2693(87)90055-4. 
  7. ^ K. Hicks (23 ביולי 2003). "Physicists find evidence for an exotic baryon". Ohio University. אורכב מ-המקור ב-8 September 2016. בדיקה אחרונה ב-8 בינואר 2010. 
  8. ^ 1 2 See p. 1124 in C. Amsler et al. (Particle Data Group) (2008). "Review of particle physics". Physics Letters B 667 (1–5): 1–6. Bibcode:2008PhLB..667....1A. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. 
  9. ^ 1 2 R. Aaij et al. (LHCb collaboration) (2015). "Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in Λ 0b→J/ψKp decays". Physical Review Letters 115 (7): 072001. Bibcode:2015PhRvL.115g2001A. PMID 26317714. doi:10.1103/PhysRevLett.115.072001. 
  10. ^ "LHCb experiment discovers a new pentaquark". CERN. 26 במרץ 2019. בדיקה אחרונה ב-26 באפריל 2019. 
  11. ^ 1 2 I. Sample (14 ביולי 2015). "Large Hadron Collider scientists discover new particles: pentaquarks". The Guardian. בדיקה אחרונה ב-14 ביולי 2015. 
  12. ^ מטעני הצבעים לא מגיבים לצבעים הפיזיקלים הנראים לעין. הן תוויות שרירותיות שנוצרו כדי לעזור למדענים לתאר ולהמחיש את מטעני הקווארקים.
  13. ^ J. Pochodzalla (2005). "Duets of strange quarks". Hadron Physics. עמ' 268. ISBN 978-1614990147. 
  14. ^ 1 2 G. Amit (14 ביולי 2015). "Pentaquark discovery at LHC shows long-sought new form of matter". New Scientist. בדיקה אחרונה ב-14 ביולי 2015. 
  15. ^ T. D. Cohen; P. M. Hohler; R. F. Lebed (2005). "On the Existence of Heavy Pentaquarks: The large Nc and Heavy Quark Limits and Beyond". Physical Review D 72 (7): 074010. Bibcode:2005PhRvD..72g4010C. arXiv:hep-ph/0508199. doi:10.1103/PhysRevD.72.074010. 
  16. ^ J. Pochodzalla (2005). "Duets of strange quarks". Hadron Physics. עמ' 268. ISBN 978-1614990147. 
  17. ^ 1 2 3 4 5 6 W.-M. Yao et al. (Particle Data Group) (2006). "Review of particle physics". Journal of Physics G 33 (1): 1–1232. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. arXiv:astro-ph/0601168. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001. 
  18. ^ D. Diakonov; V. Petrov; M. Polyakov (1997). "Exotic anti-decuplet of baryons: prediction from chiral solitons". Zeitschrift für Physik A 359 (3): 305. Bibcode:1997ZPhyA.359..305D. arXiv:hep-ph/9703373. doi:10.1007/s002180050406. 
  19. ^ בעל הקווארקים (uddss)
  20. ^ בעל הקווארקים (cuudd)
  21. ^ T., Nakano (2009). ""Evidence of the Θ+ in the γd→K+K−pn reaction"". Physical Review C: 79. Bibcode:2009PhRvC..79b5210N. arXiv:0812.1035. doi:10.1103/PhysRevC.79.025210. 
  22. ^ P. Rincon (14 ביולי 2015). "Large Hadron Collider discovers new pentaquark particle". BBC News. בדיקה אחרונה ב-14 ביולי 2015. 
  23. ^ LHCb - Large Hadron Collider beauty experiment, lhcb-public.web.cern.ch