'Tiga quark untuk Muster Mark!,' tulis James Joyce dalam dongeng labirinnya,Bangun Finnegan. Buat masa ini, anda mungkin pernah mendengar petikan ini – ayat pendek dan mengarut yang akhirnya memberi nama “quark” kepada bahan binaan Alam Semesta (yang belum ditandingi) paling asas. Ahli fizik hari ini percaya bahawa mereka memahami asas cara kuark bergabung; tiga bercantum untuk membentuk baryon (zarah harian seperti proton dan neutron), manakala dua – quark dan antiquark – melekat bersama untuk membentuk varieti yang lebih eksotik dan kurang stabil yang dipanggil meson. Perkongsian empat kuark yang jarang ditemui dipanggil tetraquark. Dan lima quark terikat dalam tarian yang halus? Sememangnya, itu akan menjadi apentaquark. Dan pentaquark, sehingga baru-baru ini sekadar rekaan ilmu fizik, kini telah dikesan di LHC!
Jadi apa masalahnya? Daripada sekadar perkataan yang menyeronokkan untuk disebut lima kali pantas, pentaquark mungkin membuka maklumat baharu yang penting tentang daya nuklear yang kuat. Pendedahan ini akhirnya boleh mengubah cara kita berfikir tentang rakan kita yang hebat, bintang neutron – dan, sememangnya, sifat jirim biasa itu sendiri.
Ahli fizik mengetahui enam jenis kuark, yang disusun mengikut berat. Yang paling ringan daripada enam adalah quark atas dan bawah, yang membentuk baryon harian yang paling biasa (dua naik dan turun dalam proton, dan dua turun dan naik dalam neutron). Yang paling berat seterusnya ialah quark pesona dan pelik, diikuti dengan quark atas dan bawah. Dan kenapa berhenti di situ? Selain itu, setiap satu daripada enam quark mempunyai anti-zarah yang sepadan, atau antiquark.
Enam jenis quark, disusun dari kiri ke kanan mengikut jisimnya, digambarkan bersama-sama zarah asas lain Model Standard. Boson Higgs telah ditambahkan ke sebelah kanan menagerie pada tahun 2012. (Kredit Imej: Fermilab)
Atribut penting kedua-dua quark dan rakan anti-zarah mereka ialah sesuatu yang dipanggil “warna”. Sudah tentu, quark tidak mempunyai warna dengan cara yang sama seperti yang anda panggil epal 'merah' atau lautan 'biru'; sebaliknya, sifat ini ialah cara metafora untuk menyampaikan salah satu undang-undang penting fizik subatomik – zarah yang mengandungi quark (dipanggil hadron) sentiasa membawa cas warna neutral.
Sebagai contoh, tiga komponen proton mesti termasuk satu quark merah, satu quark hijau dan satu quark biru. Ketiga-tiga 'warna' ini menambah kepada zarah neutral dengan cara yang sama seperti cahaya merah, hijau dan biru digabungkan untuk menghasilkan cahaya putih. Undang-undang yang sama ada untuk quark dan antiquark yang membentuk meson: warna masing-masing mestilah betul-betul bertentangan. Quark merah hanya akan bergabung dengan antiquark anti-merah (atau cyan), dan seterusnya.
Pentaquark juga mesti mempunyai cas warna neutral. Bayangkan proton dan meson (khususnya, jenis dipanggil meson J/psi) terikat bersama – quark merah, biru dan hijau di satu sudut, dan pasangan quark-antiquark neutral warna di sudut yang lain – untuk sejumlah besar empat quark dan satu antiquark, semua warna yang kemas membatalkan satu sama lain.
Ahli fizik tidak pasti sama ada pentaquark dicipta oleh jenis susunan diasingkan ini atau sama ada kelima-lima quark diikat bersama secara langsung; sama ada, seperti semua hadron, pentaquark dikawal oleh raksasa dinamik asas itu, kuasa nuklear yang kuat.
Daya nuklear yang kuat, seperti namanya, ialah daya teguh yang tidak terkata yang menggabungkan komponen setiap nukleus atom: proton dan neutron dan, lebih penting lagi, kuark konstituennya sendiri. Kuasa yang kuat adalah begitu gigih sehingga 'quark bebas' tidak pernah diperhatikan; mereka semua terkurung terlalu ketat dalam baryon induk mereka.
Tetapi terdapat satu tempat di Alam Semesta di mana kuark mungkin wujud di dalam dan dari dirinya sendiri, dalam sejenis keadaan meta-nuklear: dalam jenis bintang neutron yang luar biasa padat. Dalam bintang neutron biasa, tekanan graviti sangat hebat sehingga proton dan elektron tidak lagi menjadi. Tenaga dan cas mereka cair bersama-sama, tidak meninggalkan apa-apa kecuali jisim neutron yang selesa.
Ahli fizik telah menjangkakan bahawa, pada ketumpatan yang melampau, dalam bintang yang paling padat, neutron bersebelahan dalam teras malah mungkin terurai menjadi satu gabungan bahagian juzuk.
Bintang neutron… akan menjadi bintang kuark.
Perbezaan antara bintang neutron dan bintang kuark. (Kredit Imej: Chandra)
Para saintis percaya bahawa pemahaman tentang fizik pentaquark boleh memberi penerangan tentang cara daya nuklear yang kuat beroperasi dalam keadaan melampau sebegitu – bukan sahaja dalam bintang neutron yang terlalu padat, tetapi mungkin juga dalam pecahan pertama detik selepas Letupan Besar. Analisis lanjut juga harus membantu ahli fizik memperhalusi pemahaman mereka tentang cara kuark boleh dan tidak boleh digabungkan.
Data yang menyebabkan penemuan ini – hasil 9-sigma yang menakjubkan! – keluar daripada larian pertama LHC (2010-2013). Dengan supercollider kini beroperasi pada dua kali ganda kapasiti tenaga asalnya, ahli fizik sepatutnya tidak mempunyai masalah untuk merungkai misteri pentaquark dengan lebih jauh lagi.
Pracetak penemuan pentaquark, yang telah diserahkan kepada jurnal Surat Kajian Fizikal, boleh didapati di sini .