פנטאקווארק

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 +, ולאנטיקווארקים של –, 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 וצבי ליפקין בשנת 1987. עם זאת, האפשרות של חלקיקים בעלי חמישה קווארקים זוהתה כבר בשנת 1964 כאשר מארי גל-מאן הניח לראשונה את קיומם של קווארקים. אף על פי שנחזו במשך עשרות שנים, התברר שקשה להפליא לגלות פנטקווארקים, וכמה פיזיקאים החלו לחשוד שחוק טבע לא ידוע מונע את ייצורם.

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

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. אחרים לא היו מסוגלים לשכפל את התוצאות של LEPS, ואילו תגליות הפנטאקווארק האחרות לא התקבלו בגלל נתונים וניתוחים סטטיסטיים ירודים. ב-13 ביולי 2015, קבוצת LHCb ב-CERN דיווחה על תוצאות העולות בקנה אחד עם מצבי פנטאקווארק בדעיכה של באריון למדא תחתון (Λ). ב-16 במרץ 2019, קבוצת LHCb הכריזה על גילוי של פנטאקווארק חדש, שלא נצפה לפני כן. 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. 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 (uudd).

רקע 

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.

מבנה 

מגוון רחב של פנטאקווארקים הוא אפשרי, כאשר שילובי קווארקים שונים מפיקים חלקיקים אחרים. כדי לזהות אילו קווארקים מרכיבים פנטאקווארק נתון, פיזיקאים משתמשים בסימון qqqq, כאשר q ו- 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 , , , ,  ו- מתייחסים לאנטיקווארקים המתאימים. לדוגמה, פנטאקווארק שמורכב משני קווארקים למעלה, קווארק למטה אחד, קווארק קסום אחד ואנטיקווארק קסום אחד ירשם uudc.

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. 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).

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".

היסטוריה

אמצע שנות ה-2000 
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. 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. ממצא זה חפף למצב פנטאקווארק עם מסה של 1540 MeV/c2 שנחזה בשנת 1997.

המצב המוצע מורכב משני קווארקי למעלה, שני קווארקי למטה ואנטיקווארק מוזר (uudd). 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. 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. שני מצבי פנטאקווארק נוספים דווחו, אם כי עם מובהקות סטטיסטית נמוכה יותר מהשאר, ה-Φ– –, בעל מסה של 1860 MeV/c2, וה-, בעל מסה של 3099 MeV/c2. מאוחר יותר, התגלה כי שניהם היו אפקטים סטטיסטיים, מאשר תהודות אמיתיות.

10 ניסויים חיפשו אחר ה-+Θ אבל לא הצליחו למצוא אותו. 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). סקירת פיזיקת החלקיקים משנת 2006 סיכם כי:

סקירת פיזיקת החלקיקים משנת 2008 הרחיק לכת אפילו עוד יותר:

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.

תוצאות LHCb מ-2015 

ביולי 2015, צוות LHCb ב-CERN זיהה פנטאקווארקים באפיק  שמייצג את דעיכתו של באריון למבה התחתון () אל תוך מזון J/ψ, קאון () ופרוטון (p). התוצאות הראו שלפעמים, במקום שהדעיכה תקרה דרך מצבי למדא בינוניים, ה- דועך דרך מצבי פנטאקווארק בינוניים. לשני המצבים, שקרויים  ו-, 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. 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 (uudc) מה שהופך אותם לצ'ארמוניום-פנטאקוורקים.

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

מחקרי פנטאקווארקים בניסויים אחרים

תוצאות LHCb מ-2019

יישומים

ראו גם
מיון החלקיקים
טריקווארק
חומר אקזוטי
טטראקווארק
מודל הקווארקים
הקסאקווארק
הפטאקווארק

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

האדרונים