"Tre kvarkar för Muster Mark !," skrev James Joyce i sin labyrintiska fabel,Finnegan's Wake. Vid det här laget kanske du har hört detta citat - den korta, nonsensiska meningen som så småningom gav namnet ”kvark” till universumets (som ännu inte överträffade) mest grundläggande byggstenar. Dagens fysiker tror att de förstår grunderna i hur kvarkar kombineras; tre sammanfogas för att bilda baryoner (vardagspartiklar som proton och neutron), medan två - en kvark och en antikvark - klistrar samman för att bilda mer exotiska, mindre stabila sorter som kallas mesoner. Sällsynta partnerskap med fyra kvarkar kallas tetraquarks. Och fem kvarkar bundna i en känslig dans? Naturligtvis skulle det vara en pentaquark. Och pentaquarken, tills nyligen bara ett fysiskt lärande, har nu upptäckts vid LHC!
Så vad är den stora saken? Långt ifrån att bara vara ett roligt ord att säga fem gånger snabbt, kan pentaquark låsa upp viktig ny information om den starka kärnkraften. Dessa avslöjanden kan i slutändan förändra vårt sätt att tänka på vår fantastiskt täta vän, neutronstjärnan - och faktiskt själva bekant materiens natur.
Fysiker känner till sex typer av kvarkar som är ordnade efter vikt. De lättaste av de sex är upp- och ner-kvarkarna, som utgör de mest bekanta vardagliga baryonerna (två upp- och nedåt i protonen, och två nedåt och en upp i neutronen). De näst tyngsta är charm och konstiga kvarkar, följt av de övre och nedre kvarkarna. Och varför stanna där? Dessutom har var och en av de sex kvarkarna en motsvarande antipartikel eller antikvark.
Ett viktigt attribut för både kvarkar och deras motpartikelpersoner är något som kallas "färg". Naturligtvis har kvarkar inte färg på samma sätt som du kan kalla ett äpple "rött" eller havet "blått"; snarare är den här egenskapen ett metaforiskt sätt att kommunicera en av de väsentliga lagarna i subatomisk fysik - att kvarkinnehållande partiklar (kallas hadroner) alltid har en neutral färgladdning.
Till exempel måste de tre komponenterna i en proton innehålla en röd kvark, en grön kvark och en blå kvark. Dessa tre "färger" lägger till en neutral partikel på samma sätt som rött, grönt och blått ljus kombinerar för att skapa en vit glöd. Liknande lagar finns för quarken och antikvarken som utgör en meson: deras respektive färger måste vara exakt motsatta. En röd kvark kommer bara att kombineras med en antiröd (eller cyan) antikvark, och så vidare.
Pentaquarken måste också ha en neutral färgladdning. Föreställ dig en proton och en meson (specifikt en typ som kallas en J / psi-meson) bundna ihop - en röd, en blå och en grön kvark i det ena hörnet och ett färgneutralt kvark-antikvarkpar i det andra - för en totalt totalt fyra kvarkar och en antikvark, där alla färger snyggt avbryter varandra.
Fysiker är inte säkra på om pentaquark skapas av denna typ av segregerat arrangemang eller om alla fem kvarkarna är direkt bundna samman; hur som helst, som alla hadroner, hålls pentaquarken i schack av den grundläggande dynamiken, den starka kärnkraften.
Den starka kärnkraften, som namnet antyder, är den otänkbara robusta kraften som limmar samman komponenterna i varje atomkärna: protoner och neutroner och, mer avgörande, deras egna beståndsdelar. Den starka kraften är så ihärdig att ”fria kvarkar” aldrig har observerats; de är alla begränsade alltför snävt inom sina föräldrar baryoner.
Men det finns en plats i universum där kvarkar kan existera i sig själva, i ett slags metukärnläge: i en utomordentligt tät typ av neutronstjärna. I en typisk neutronstjärna är gravitationstrycket så enormt att protoner och elektroner upphör att vara. Deras energier och laddningar smälter samman och lämnar inget annat än en massa neutronmassa.
Fysiker har antagit att vid extrema tätheter, i de mest kompakta stjärnorna, kan angränsande neutroner i kärnan till och med själva sönderdelas till ett virvar av beståndsdelar.
Neutronstjärnan ... skulle bli en kvarkstjärna.
Forskare tror att förståelsen av pentaquarkens fysik kan kasta ljus på hur den starka kärnkraften arbetar under sådana extrema förhållanden - inte bara i så alltför täta neutronstjärnor, utan kanske till och med i de första fraktionerna av en sekund efter Big Bang. Ytterligare analyser bör också hjälpa fysiker att förfina sin förståelse för de sätt som kvarkar kan och inte kan kombinera.
Data som gav upphov till denna upptäckt - ett otroligt resultat med 9 sigma! - kom ut från LHC: s första körning (2010-2013). Med supercollideren som nu arbetar med dubbelt så mycket som den ursprungliga energikapaciteten, borde fysiker inte ha några problem att avslöja mysterierna i pentaquark ännu mer.
Här finns en förtryck av pentaquark-upptäckten, som har lämnats in i tidskriften Physical Review Letters.
