การค้นพบอนุภาคแปลกใหม่ของเซิร์นอาจส่งผลต่อฟิสิกส์ดาราศาสตร์อย่างไร

คุณอาจเคยได้ยินว่าเซิร์นประกาศการค้นพบ (ยืนยันจริง ๆ ดูภาคผนวกด้านล่าง) ของอนุภาคแปลก ๆ ที่รู้จักกันในชื่อ Z (4430) กระดาษสรุปผลได้รับการเผยแพร่ใน arxiv ฟิสิกส์ซึ่งเป็นที่เก็บเอกสารฟิสิกส์ preprint (ยังไม่ได้ตรวจสอบโดยเพื่อน) อนุภาคใหม่มีขนาดใหญ่กว่าโปรตอนประมาณ 4 เท่ามีประจุเป็นลบและดูเหมือนจะเป็นอนุภาคเชิงทฤษฎีที่รู้จักกันในชื่อ tetraquark ผลลัพธ์ยังคงเยาว์วัย แต่ถ้าการค้นพบนี้ยังคงเกิดขึ้นมันอาจมีผลกระทบต่อความเข้าใจของเราต่อดาวนิวตรอน

ส่วนประกอบของสสารนั้นทำจากเลปตัน (เช่นอิเล็กตรอนและนิวตริโน) และควาร์ก (ซึ่งประกอบเป็นโปรตอนนิวตรอนและอนุภาคอื่น ๆ ) ควาร์กแตกต่างจากอนุภาคอื่น ๆ อย่างมากเนื่องจากมีประจุไฟฟ้าที่ 1/3 หรือ 2/3 ของอิเล็กตรอนและโปรตอน พวกเขายังมี "ประจุ" ชนิดอื่นที่เรียกว่าสี เช่นเดียวกับประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ผ่านแรงแม่เหล็กไฟฟ้าประจุสีจะทำปฏิกิริยากับแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง มันเป็นประจุสีของควาร์กที่ทำงานเพื่อยึดนิวเคลียสของอะตอมไว้ด้วยกัน การชาร์จสีนั้นซับซ้อนกว่าค่าไฟฟ้ามาก ด้วยประจุไฟฟ้ามีค่าเป็นบวก (+) และตรงกันข้าม, ลบ (-) ด้วยสีมีสามประเภท (แดงเขียวและน้ำเงิน) และตรงกันข้าม (แดงต่อต้านเขียวและต่อต้านน้ำเงิน)

เนื่องจากวิธีการทำงานของกำลังแรงเราไม่สามารถสังเกตควาร์กฟรี แรงที่รุนแรงนั้นควาร์กจะรวมตัวกันเป็นอนุภาคที่มีสีเป็นกลาง ตัวอย่างเช่นโปรตอนประกอบด้วยสามควาร์ก (สองขึ้นและหนึ่งลง) โดยที่แต่ละควาร์กมีสีที่แตกต่างกัน ด้วยแสงที่มองเห็นได้การเพิ่มแสงสีแดงสีเขียวและสีน้ำเงินให้แสงสีขาวซึ่งไม่มีสี ในทำนองเดียวกันการรวมควาร์กสีแดงสีเขียวและสีน้ำเงินให้อนุภาคที่เป็นกลาง ความคล้ายคลึงกันนี้กับคุณสมบัติสีของแสงคือเหตุผลที่ควาร์คชาร์จตั้งชื่อตามสี

การรวมควาร์กของแต่ละสีเป็นกลุ่มที่สามเป็นวิธีหนึ่งในการสร้างอนุภาคที่เป็นกลางสีและสิ่งเหล่านี้เป็นที่รู้จักกันในนามของ baryons โปรตรอนและนิวตรอนเป็น baryons ที่พบบ่อยที่สุด อีกวิธีในการรวมควาร์กก็คือการจับคู่ควาร์กของสีเฉพาะกับควาร์กของการต่อต้านสี ตัวอย่างเช่นควาร์กสีเขียวและควาร์กสีเขียวสามารถรวมกันเพื่อสร้างอนุภาคที่เป็นกลางสี อนุภาคสองควาร์เหล่านี้รู้จักกันในชื่อ mesons และถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1947 ตัวอย่างเช่น pion ที่มีประจุบวกประกอบด้วย quark ขึ้นและ antiparticle ลง quark

ภายใต้กฎของแรงที่แข็งแกร่งมีวิธีอื่นที่ควาร์กสามารถรวมกันเพื่อสร้างอนุภาคที่เป็นกลางได้ หนึ่งในนั้นคือ tetraquark ซึ่งรวมสี่ควาร์กโดยที่อนุภาคสองอนุภาคมีสีพิเศษและอีกสองสีนั้นมีสีที่สอดคล้องกัน อื่น ๆ เช่น pentaquark (3 สี + สีต่อต้านสีคู่) และ hexaquark (3 สี + 3 สีต่อต้าน) เสนอให้ แต่จนถึงตอนนี้สิ่งเหล่านี้ล้วนเป็นสมมุติฐาน แม้ว่าอนุภาคดังกล่าวจะเป็นสีที่เป็นกลาง แต่ก็เป็นไปได้ที่พวกมันจะไม่เสถียรและอาจสลายตัวไปเป็น baryons และ mesons

มีคำแนะนำทดลองของ tetraquarks แต่ผลลัพธ์ล่าสุดนี้เป็นหลักฐานที่แข็งแกร่งที่สุดของ 4 quark ก่อให้เกิดอนุภาคที่เป็นกลางสี ซึ่งหมายความว่าควาร์กสามารถรวมกันในรูปแบบที่ซับซ้อนกว่าที่เราคาดไว้มากและสิ่งนี้มีความหมายต่อโครงสร้างภายในของดาวนิวตรอน

ง่ายมากแบบดั้งเดิมของดาวนิวตรอนคือมันทำจากนิวตรอน นิวตรอนประกอบด้วยสามควาร์ก (สองตัวขึ้นไปและอีกหนึ่งตัวขึ้นไป) แต่โดยทั่วไปแล้วคิดว่าการมีปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคภายในดาวนิวตรอนเป็นปฏิกิริยาระหว่างนิวตรอน ด้วยการมีอยู่ของ tetraquarks มันเป็นไปได้ที่นิวตรอนในแกนกลางจะมีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรงเพียงพอที่จะสร้าง tetraquarks สิ่งนี้อาจนำไปสู่การผลิตเพนตาควอร์กและเฮกซาควาร์กหรือแม้แต่ควาร์กสามารถโต้ตอบกันทีละชิ้นโดยไม่ต้องจับกับอนุภาคที่เป็นกลางสี สิ่งนี้จะสร้างวัตถุสมมุติที่รู้จักกันในชื่อดาวควาร์ก

ทั้งหมดนี้เป็นข้อสันนิษฐาน ณ จุดนี้ แต่หลักฐานที่พิสูจน์แล้วจาก tetraquarks จะบังคับให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ทำการตรวจสอบสมมติฐานบางอย่างที่เรามีเกี่ยวกับการตกแต่งภายในของดาวนิวตรอน

ภาคผนวก: มีการชี้ให้เห็นว่าผลลัพธ์ของ CERN ไม่ใช่การค้นพบดั้งเดิม แต่เป็นการยืนยันผลลัพธ์ก่อนหน้านี้โดยการทำงานร่วมกันของเบลล์ ผลลัพธ์ของเบลล์สามารถพบได้ในกระดาษปี 2008 ใน Physical Review Letters เช่นเดียวกับกระดาษ 2013 ใน Physical Review D. ดังนั้นเครดิตที่ถึงกำหนดเครดิต