Deuteron-lignende tunge dibaryoner - et skridt mod at finde eksotiske kerner

Har du nogensinde undret dig over, hvordan Solen skaber den energi, vi får fra den hver dag, og hvordan de andre grundstoffer ved siden af ​​brint er dannet i vores univers? Måske ved du, at dette skyldes fusionsreaktioner, hvor fire brintkerner går sammen og danner en heliumkerne. Sådanne nukleosynteseprocesser er mulige udelukkende på grund af eksistensen, i første omgang, af stabile deuteroner, som består af en proton og en neutron. undersøger dybere, man finder, at et deuteron består af seks lette kvarker. Interessant nok, det stærke samspil mellem kvarker, som bringer stabilitet til deuteroner, giver også mulighed for forskellige andre seks-kvark kombinationer, fører til mulig dannelse af mange andre deuteronlignende kerner. Imidlertid, ingen sådanne kerner, selvom man teoretisk spekulerede om og søgte eksperimentelt mange gange, er endnu blevet observeret.

Alt dette kan ændre sig med en spændende ny opdagelse, hvor, ved hjælp af en state-of-the-art første-principper beregning af gitter kvante kromodynamik (QCD), den grundlæggende teori om stærke interaktioner, en sikker forudsigelse af eksistensen af ​​andre deuteron-lignende kerner er blevet lavet af TIFR's fysikere. Ved at bruge beregningsfaciliteten fra Indian Lattice Gauge Theory Initiative (ILGTI), Prof. Nilmani Mathur og postdoc Parikshit Junnarkar ved Institut for Teoretisk Fysik har forudsagt et sæt eksotiske kerner, som ikke findes i det periodiske system. Masserne af disse nye eksotiske kerner er også blevet beregnet præcist.

Disse nye subatomære partikler kunne enten være lavet af seks tunge kvarker (charme og bund) eller tunge og mærkelige kvarker. De er stabile mod stærkt og elektromagnetisk henfald, men - i modsætning til deuteron - kan de forfalde gennem svage interaktioner. Overraskende nok, det har vist sig, at stabiliteten af ​​sådanne kerner øges, efterhånden som de bliver tungere. Disse forudsigelser kan hjælpe med at opdage disse nye subatomære partikler på eksperimentelle faciliteter.

Dette åbner også muligheden for eksistensen af ​​mange andre eksotiske kerner, som kan dannes gennem sammensmeltning af tunge baryoner, svarende til dannelsen af ​​grundstoffers kerner i det periodiske system. I sådanne reaktioner, disse deuteron-lignende kerner kunne godt spille den samme rolle som deuteronet i nukleosyntesen. Dannelse af disse nye subatomære partikler øger også muligheden for en analog af kernefusion på kvarkniveau som diskuteret for nylig [ Natur 551, 89 (2017)]. Dannelse af nogle af disse tilstande gennem fusion er meget eksoterm, frigiver energi så stor som 300 MeV/reaktion - en spændende mulighed for energiskabelse en dag i fremtiden!

Forudsigelse af nye subatomære partikler, især med mere end tre kvarker, gennem første-principper-beregninger kræver en indviklet sammenlægning mellem teori og højtydende databehandling. Ikke alene kræver det en sofistikeret forståelse af de kvantefeltteoretiske problemstillinger, men tilgængeligheden af ​​store beregningsressourcer er også afgørende. Faktisk bliver nogle af de største videnskabelige beregningsressourcer i verden brugt af gittermålteoretikere, som dem på TIFR, som forsøger at løse mysteriet med stærke interaktioner i vores univers gennem deres undersøgelser inde i femtoverdenen (dvs. inden for en skala på omkring en million milliardtedel af en meter). Gitter QCD-metoder kan også spille en afgørende rolle i forståelsen af ​​stof under forhold med høj temperatur og tæthed svarende til dem i de tidlige stadier af universet efter Big Bang.