Για δεκαετίες, κάθε γνωστό ατομικό και πυρηνικό σύστημα στηρίζεται σε τουλάχιστον δύο θεμελιώδεις δυνάμεις: η ισχυρή δύναμη συγκρατεί πρωτόνια και νετρόνια στον πυρήνα, ενώ ο ηλεκτρομαγνητισμός κρατά τα ηλεκτρόνια σε τροχιά. Τώρα, διεθνής ομάδα φυσικών παρουσιάζει την πρώτη πειραματική ένδειξη πυρηνικού συστήματος που δεσμεύεται αποκλειστικά από την ισχυρή δύναμη—επιβεβαιώνοντας μια θεωρητική πρόβλεψη πριν από είκοσι χρόνια και ανοίγοντας νέο δρόμο για το πώς η ύλη αποκτά μάζα.
Για να υπάρξει σύστημα που συγκρατείται μόνο από μία δύναμη, απαιτείται σωματίδιο χωρίς ηλεκτρικό φορτίο. Τα συνηθισμένα άτομα δεν μπορούν να το πετύχουν, αφού τα συστατικά τους—πρωτόνια και ηλεκτρόνια—είναι φορτισμένα και ο ηλεκτρομαγνητισμός συμμετέχει πάντα. Το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής, που περιγράφει τις τρεις από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις (ισχυρή, ασθενή και ηλεκτρομαγνητισμό—η βαρύτητα δεν περιλαμβάνεται), προβλέπει ότι ηλεκτρικά ουδέτερα μεσόνια μπορούν να δεσμευτούν σε έναν πυρήνα μόνο μέσω της ισχυρής αλληλεπίδρασης. Το μεσόνιο ήτα-πράιμ (η′) είναι ιδανική δοκιμασία: δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο, άρα δεν μπορεί να δεσμευτεί ηλεκτρομαγνητικά, και η ασυνήθιστα μεγάλη μάζα του το καθιστά ιδιαίτερα ευαίσθητο ανιχνευτή της «εσωτερικής μηχανικής» της ισχυρής δύναμης.
Η μεγάλη αυτή μάζα είναι η ίδια ένα μυστήριο. Γνωστό ως «πρόβλημα U(1)» από τότε που ο φυσικός Steven Weinberg το έθεσε τη δεκαετία του 1970, το ζήτημα είναι ότι απλά μοντέλα κουάρκ δεν εξηγούν το πόσο βαρύ είναι το ήτα-πράιμ. Η σύγχρονη κβαντική χρωμοδυναμική (QCD)—η θεωρία της ισχυρής δύναμης—αποδίδει την επιπλέον μάζα σε ένα φαινόμενο που λέγεται χιράλ σπάσιμο συμμετρίας, σε συνδυασμό με τη κβαντική δυναμική των γλουονίων, τα σωματίδια-φορείς της ισχυρής δύναμης. Με απλά λόγια, η «χειρομορφία» αναφέρεται στη δεξιόχειρη ή αριστερόχειρη «εκδοχή» των σωματιδίων: όπως το δεξί σας χέρι μοιάζει με το αριστερό στον καθρέφτη αλλά δεν επικαλύπτεται, κάποια σωματίδια εμφανίζονται σε δύο «χειρότητες». Όταν η συμμετρία ανάμεσα στις δύο εκδοχές σπάει μέσα στην πυρηνική ύλη, παράγεται μεγάλο μέρος της μάζας του η′.
Οι ίδιες θεωρίες που εξηγούν τη μάζα του ήτα-πράιμ προβλέπουν επίσης ότι αυτή μπορεί να μειώνεται όταν το μεσόνιο «εγκλωβίζεται» μέσα σε έναν πυρήνα. Η μέτρηση αυτής της μείωσης θα αποτελούσε ισχυρή ένδειξη ότι το χιράλ σπάσιμο συμμετρίας όντως ευθύνεται για το βάρος του σωματιδίου—και, κατ’ επέκταση, για μεγάλο μέρος της μάζας όλων των αδρονίων (πρωτόνια και νετρόνια της ορατής ύλης). Τώρα, διεθνής ομάδα με επικεφαλής τους Ryohei Sekiya, Kenta Itahashi και Yoshiki Tanaka του RIKEN στη Saitama της Ιαπωνίας το πέτυχε. Εκτόξευσαν δέσμη πρωτονίων στον πυρήνα ατόμου του ισοτόπου άνθρακα C-12 με ταχύτητες κλάσμα της ταχύτητας του φωτός, και αυτός ο καταιγισμός πρωτονίων απέσπασε ένα νετρόνιο. Όταν το νετρόνιο ενώθηκε με ένα πρωτόνιο, σχημάτισε ένα σταθερό δευτερόνιο που απομακρύνθηκε, αφήνοντας στον πυρήνα του νεοσχηματισμένου ατόμου C-11 ένα πολύ μεγάλο περίσσευμα ενέργειας.
Αυτό το πλεόνασμα ενέργειας μπορεί να δημιουργήσει ένα μεσόνιο ήτα-πράιμ το οποίο, σε σπάνιες περιπτώσεις, δεσμεύεται στον πυρήνα του άνθρακα-11 σχηματίζοντας μια βραχύβια κβαντική κατάσταση που συγκρατείται μόνο από την ισχυρή δύναμη. Το ήτα-πράιμ υπάρχει για περίπου ένα χιλιοστό του τρισεκατομμυριοστού του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου προτού διασπαστεί. Η καταγραφή τόσο φευγαλέων γεγονότων απαίτησε έναν ειδικά σχεδιασμένο ανιχνευτή, τον WASA, που επέτρεψε στην ομάδα να αναγνωρίσει τα υψηλής ενέργειας πρωτόνια που παράγονται όταν το ήτα-πράιμ απορροφάται από τον πυρήνα. Ακόμη κι έτσι, τα συμβάντα υποβάθρου υπερείχαν των σημάτων κατά συντελεστή 100 έως 1.000, καθιστώντας τη μέτρηση εξαιρετικά απαιτητική.
Παρά τις δυσκολίες, η ομάδα εντόπισε κορυφές στα δεδομένα που ταιριάζουν με τις θεωρητικές προβλέψεις για eta prime–mesic nuclei. Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο Physical Review Letters, δείχνουν ότι η μάζα του μεσονίου ήτα-πράιμ μειώνεται κατά περίπου 60 MeV μέσα στην πυρηνική ύλη—ποιοτική στήριξη στην ιδέα ότι το χιράλ σπάσιμο συμμετρίας και η δυναμική των γλουονίων ευθύνονται για τη μάζα του.
«Investigations of the mass distribution in a chiral-symmetry-restored environment provide information on the mass generation mechanisms and the non-trivial structure of the vacuum in the evolution of the universe», έγραψαν οι ερευνητές.
«The results indicate the first direct detection of [eta prime]-mesic nuclei, which provide information on the meson properties in a high-density nuclear medium», ανέφεραν, προσθέτοντας ότι στο μέλλον «aim at measurement of the elementary [eta prime] production cross section».
