Hiukkasperhe sai uusia jäseniä: multikvarkit
Luonnon pienimmät osaset, kvarkit, voivat liittyä toisiinsa useammalla tavalla kuin tutkijat uskoivatkaan. Havainto voi auttaa selvittämään, mikä voima pitää koossa sekä atomin ytimen että avaruuden galaksit.
Luonnon pienimmät osaset, kvarkit, toimivat kuin legopalikat. Niitä voi yhdistellä monella eri tavalla niin, että niistä syntyy kappaleita, jotka taas voidaan yhdistää vielä isommiksi kappaleiksi.
Hiukkasten maailmassa kvarkit yhdistyvät esimerkiksi protoneiksi ja neutroneiksi, jotka yhdessä muodostavat atomiytimiä, ja atomeista taas muodostuu molekyylejä.
Kvarkit eivät kuitenkaan voi liittyä toisiinsa aivan mielivaltaisesti. Niiden toimintaa näyttävät ohjaavan tietyt säännöt, joita fyysikot ovat yrittäneet selvittää 50 viime vuoden ajan. Niiden mukaan kvarkit voivat yhdistyä vain kaksi tai kolme kerrallaan vain tietynlaisiksi yhdistelmiksi.
Nyt totutut säännöt näyttävät menevän uusiksi. Muun muassa Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa Cernissä on hiukkastörmäytyskokeissa havaittu viitteitä ennen näkemättömistä neljän, viiden ja jopa kuuden kvarkin yhdistelmistä. Nämä multikvarkit voivat antaa tutkijoille osviittaa siitä, millaiset voimat pitävät maailmankaikkeutta koossa – niin atomeja kuin galaksejakin.
Värit pitävät maailman koossa
Kvarkit eivät kuitenkaan pysy kiinni toisissaan omin avuin. Ne tarvitsevat voiman, joka liimaa ne yhteen. Fyysikot ovat kutsuneet tätä voimaa värivoimaksi, koska siinä on ominaisuuksia, jotka muistuttavat sitä, miten värit sekoittuvat keskenään.
Niillä kolmella kvarkilla, jotka muodostavat protonin, on värivoimina punainen, vihreä ja sininen.
Kun sininen, vihreä ja punainen valo yhdistyvät, tuloksena on valkoista valoa. Samalla tavalla protonin kvarkkien värivoimat kumoavat toisiaan niin, että syntyy vakaa protonia koossa pitävä voima.
Sama periaate pätee kaikkiin havaittavissa oleviin hiukkasiin. Ne voivat olla olemassa vain, jos värivoimat tasoittavat toisiaan.
Protonissa (vas.) kvarkkien punainen, vihreä ja sininen värivoima kumoavat toisensa samalla tavalla kuin punainen, vihreä ja sininen valo yhdistyvät valkoiseksi (oik.).
Kvarkkien maailmassa hiukkasella on antihiukkanen, jolla on vastakkainen värivoima. Punaisen värivoiman vastavoima on antipunainen. Tässä kohtaa vertailu arkimaailman väreihin lakkaa pätemästä.
Kvarkki ja antikvarkki, esimeriksi ylös-kvarkki ja anti-alas-kvarkki, voivat muodostaa yhdessä niin sanotun pionin, jos niiden värivoimat kumoavat toisensa. Kaikki kvarkit ja antikvarkit voivat muodostaa hiukkasia pareittain. Jopa kvarkki ja sen antikvarkki voivat muodostaa hiukkasen, vaikkakin se hajoaa hyvin pian.
Tutkimukset osoittavat, että kvarkit liittyvät yhteen, koska niiden värivoimat tasoittavat toisiaan. Siksi esimerkiksi hiukkaskiihdyttimissä ei ole nähty vapaita kvarkkeja.
Havaittavia hiukkasia syntyy, kun kaksi tai kolme kvarkkia liittyy yhteen. Ei ole kuitenkaan mahdotonta, että esimerkiksi neljä tai viisi kvarkkia yhdistyisi hiukkaseksi.
Ensimmäiset multikvarkit
Vuonna 2003 japanilaisessa hiukkaskiihdyttimessä nähtiin ensimmäistä kertaa viitteitä tetrakvarkista eli neljän kvarkin muodostamasta hiukkasesta. Sen jälkeen tetrakvarkkeja on havaittu yli kymmenessä muussa kokeessa.
Vuonna 2015 Cernin LHC-kiihdyttimellä tehdyssä kokeessa havaittiin ensimmäistä kertaa viitteitä pentakvarkista eli viiden kvarkin hiukkasesta.
Ensimmäiset havainnot hiukkaskiihdytinkokeessa syntyneestä pentakvarkista tehtiin Sveitissä Cernin LHCb-ilmaisimella vuonna 2015.
Pentakvarkin löytyminen oli pienoinen sensaatio, ja juuri siksi osa fyysikoista suhtautui uutiseen epäillen.
Kun hiukkaset törmäävät kiihdyttimessä, syntyy valtava määrä uusia hiukkasia, jotka pysyvät kasassa vain sekunnin murto-osan. Siksi tuloksia on helppo tulkita väärin.
Käyrä näyttää hajonneiden hiukkasten määrän (y-akselilla) ja niiden massan gigaelektronivoltteina (x-akselilla). Käyrän piikin on synnyttänyt viiden kvarkin hiukkasen hajoaminen.
Hajoamiskäyrä johti pentakvarkin jäljille
Viiden kvarkin muodostama pentakvarkki löytyi vuonna 2015, kun Cernin LHC-kiihdyttimen tutkijat mittasivat useiden lyhytikäisten hiukkasten hajoamisajan.
Hajoamiskäyrässä oli piikki tietyn massan kohdalla. Myöhemmissä analyyseissa selvisi, että piikin voi selittää vain viisikvarkkinen hiukkanen.
Nyt havainto on kuitenkin vahvistettu toisella tutkimuksella. Yhdysvaltalaisen Pittsburghin yliopiston ja brittiläisen Swansean yliopiston tutkijat ovat käyneet LHC-kokeen tulokset läpi uuden mallin pohjalta.
Uudessa mallissa tutkijat tarkastelevat pentakvarkkeja molekyyleina. Sen mukaan LHC-kiihdyttimen kokeen tulokset eivät osoita vain yhden, vaan kuuden pentakvarkin olemassaolon.
”Nyt meillä on malli, jolla voimme nätisti selittää kokeen tulokset ja joka huomioi myös tuloksiin liittyvät rajoitukset”, totesi Swansean yliopiston fyysikko Tim Burns tulosten julkistamistilaisuudessa.
Pentakvarkin löytyminen vahvistui lopullisesti 2022, kun fyysikot Eric Swanson (ylinnä) ja Tim Burns tulkitsivat mittaustulokset uuden mallin pohjalta.
Tulosten suurin heikkous on se, että pentakvarkit pysyivät koossa niin lyhyen ajan, että niitä ei voitu havaita suoraan.
Tutkijat näkivät vain ne hiukkaset, joiksi pentakvarkit hajoavat, ja joissakin tapauksissa vain hiukkaset, joiksi hajoamistuotteet hajoavat. Siksi on usein tehtävä pitkä laskutoimitus takaperin, jotta voidaan todeta, että pentakvarkki on ollut olemassa.
0,00000000000000000001 sekuntia. Se on pentakvarkin elinikä. Siinä ajassa valo kulkee yhden atomin halkaisijan mittaisen matkan.
Vahvistettu tieto pentakvarkkien olemassaolosta osoittaa, että värivoimat pystyvät pitämään koossa viisi kvarkkia. Värivoimien kokoonpano voi vaihdella, mutta kyseessä voi olla esimerkiksi kahden punaisen, yhden antipunaisen, yhden vihreän ja yhden sinisen yhdistelmä.
Atomien liima syyniin
Tutkijat toivovat, että tarkastelemalla pentakvarkkeja ja muita usean kvarkin hiukkasia päästään jyvälle värivoimien ominaisuuksista.
Vakiintuneen teorian mukaan värivoimat eivät pidä yhdessä vain protonien ja neutronien kvarkkeja, vaan ne ovat myös se liima, joka pitää atomiytimen kasassa. Ilman värivoimia atomiytimen protonien positiivinen varaus pakottaisi kvarkit erilleen ja ydin hajoaisi.
Toistaiseksi tutkijat eivät osaa tarkalleen selittää, miten värivoimat pitävät atomiytimen vakaana. Tähän he toivovat apua pentakvarkeilta ja muilta multikvarkeilta.
Multikvarkkeihin liittyy myös toinen, paljon suuremman mittaluokan toive.
Yksi maailmankaikkeuden suurimmista avoimista kysymyksistä on se, mitä on se avaruuden täyttävä näkymätön aine, joka kutsutaan pimeäksi aineeksi. Vaikka sitä ei voi nähdä, sen täytyy olla olemassa, koska muuten galaksien tähdet eivät voisi kiertää nykyistä vauhtiaan. Kiivas kiertonopeus on mahdollista vain, jos läsnä on iso määrä pimeää ainetta, joka vaikuttaa tähtiin painovoimallaan.
Osa tutkijoista uskoo, että pimeä aine muodostuu multikvarkeista, tarkkaan ottaen heksakvarkeista eli hiukkasista, joissa on kuusi kvarkkia.
Heksakvarkkien etsintä on jo aloitettu. Toistaiseksi vain yhdessä kokeessa on löydetty viitteitä yhdestä heksakvarkista.
Multikvarkit avaavat uuden maailman
Neljä kvarkkia muodostaa kaksi paria
Vuonna 2003 ensimmäistä kertaa havaitussa tetrakvarkissa on vain rajallinen määrä kvarkkien muodostamia yhdistelmiä. Tutkijoiden mukaan siinä todennäköisesti on yleensä kaksi paria, joiden välillä on yksi sidos.
Viisi kvarkkia voi yhdistyä monella tavalla
Pentakvarkki, joka löydettiin vuonna 2015, voi koostua viidestä kvarkista monella yhdistelmällä. Yksi mahdollisuus on tutkijoiden mukaan se, että kaksi kvarkkiparia on yhteydessä toisiinsa viidennen kvarkin muodostaman sidoksen kautta.
Kuusi kvarkkia voi yhdistyä miten tahansa
Heksakvarkin olemassaolosta on saatu vasta yksi viite, joten sen rakennetta ei tunneta. Periaatteessa kuusi kvarkkia voi muodostaa hyvin monenlaisia yhdistelmiä, kuten kaksi paria, jotka ovat yhteydessä toisiinsa kahden muun kvarkin kautta.
Heksakvarkkien elinikä on vielä lyhyempi kuin pentakvarkkien, mutta tutkijat uskovat, että heti alkuräjähdyksen jälkeen niitä syntyi joukoittain.
Yhden teorian mukaan varhaiset heksakvarkit kasautuivat niin sanotuksi Bosen–Einsteinin kondensaatiksi. Se on olomuoto, jossa kvarkit käyttäytyvät kuin yksi suuri hiukkanen. Jos kvarkit saivat siepattua kylliksi elektroneja, kondensaatti saattoi pysyä vakaana aineena.
Jos tämä teoria pitää paikkansa, heksakvarkit olisivat pimeää ainetta, jota on 85 prosenttia maailmankaikkeudesta.