Millega on pentakvargi näol tegu?

Kindlasti on paljudel lugejatel kooliajast hägune mälestus, et me koosneme molekulidest, mis omakorda koosnevad aatomitest, mis omakorda koosnevad elektronidest ja aatomituumast. Mõned supermäluga inimesed mäletavad ka, et aatomituumad koosnevad prootonitest ja neutronitest.

Aga neutronite ja prootonite koostis võtab meist enamiku pead kratsima – võib-olla seda koolis ei õpetatud? Olgu kuidas on, aga vähemalt osakestefüüsikud teavad, et prootonid-neutronid koosnevad kvarkidest ja kvarke hoiavad prootonites-neutronites koos gluuonid. Seda sarnaselt sellele, nagu aatomis hoiavad elektroni ja aatomituuma koos footonid ehk valgusosakesed. Sarnaselt, aga siiski väga erinevalt!

Nimelt on kvarkide vaheline jõud palju tugevam kui aatomituuma ja elektroni vaheline jõud. Kogunisti nii tugev, et kvargid ei saa looduses üksinda eksisteerida. Tugeva interaktsiooni veidrustest võiks tunde ja tunde lugusid rääkida (muide, ka miljoni-dollari auhind on sel teemal välja pandud, vaata "Millennium Prize Problems").

Aga lühidalt kokku võttes: kvargid võivad eksisteerida vaid teatud kogumitena, millest meie tunneme ennekõike prootonit ja neutronit, kuna ainult viimased on piisavalt pika elueaga osakesed. Prooton ja neutron ongi kõige kergemad ja väiksemad piisavalt püsivad kogumid, mida kvarkidest moodustada saab. Mõlemad koosnevad kolmest kvargist ja need on kombineeritud sinna nii, et liitosakese elektrilaeng oleks täisarv ja värvilaeng null.

Värvilaeng? Jah, gluuonite poolt vahendatud välja hakati kutsuma värviväljaks, sest nende laengute aritmeetika on analoogne inimese värvitajumise aritmeetikaga. Mäletad ju küll seda värvimökerdamist kunstitunnis: kolm põhivärvi, nende vastandvärvid jne. Seega, kõik kvarkidest moodustatud liitosakesed nagu prooton ja neutron peavad olema "valged" ehk koosnema kolmest põhivärvist (prooton, neutron) või kolmest põhivärvi vastandvärvist (antiprooton, antineutron). Siinkohal küsibki nutikas lugeja (tuginedes oma kunstitunni plötserdamiskogemusele), et aga siis saaks moodustada ka ju näiteks viiest kvargist liitosakesi! Näiteks, sinine+punane+roheline+sinine+antisinine.

Justnimelt, seda taipasid ka osakestefüüsikud ja nii asutigi vasti juba 1980.-te lõpul neid osakesi otsima. Otsiti kaua, aga kuidagi ei leitud. Tuli välja, et need osakesed on eksootilisemad kui alguses arvati. Mõned osakestefüüsikud langesid masendusse ja arvasid, et ehk ei saagi looduses sellised osakesed mingil, meile veel tundmatul, põhjusel eksisteerida. Nüüd näib, et kvargifüüsika rasked hetked on möödas ja pentakvargid on tõesti olemas.

Tegelikult polnud see päris esimene kord, kui pentakvargi leidmisest teatati?

Jah, üks tugevamaid pentakvargi avastuse kanditaate oli jaapanlaste LEPS eksperimendi tulemus aastal 2003. Siiski ei kinnitanud seda teised hilisemad eksperimendid. Pentakvargi otsimine on üsna keerukas, sest nende massi saab küll teoreetiliselt arvutada, aga mitte väga suure täpsusega. Pentakvark ise "elab" vaid murdosa sekundist ja tema olemasolust saame aimu vaid tema laguproduktide kaudu. Nende analüüs on üsna keerukas, kuna lisaks pentakvargile annavad sarnaseid lõpp-produkte ka paljud teised tugeva interaktsiooni moodustised.

Kuivõrd oluline on pentakvargi avastamine ja kas see pigem kinnitab või lükkab ümber seniseid füüsikatõdesid?

Pentakvargi avastamine kinnitaks, et oleme tugeva interaktsiooni mingitest omadustest õieti aru saanud. Seega on see ennekõike seniste füüsikatõdede kinnitus. Loomulikult pole välistatud, et pentakvarkide täpsem uurimine ei võiks anda meile uut mõistmist ikka veel väga mõistatusliku tugeva interaktsiooni jaoks.

Hetkel tundub, et ainuke koht looduses, kus pentakvargid olulised on, asub neutrontähtedes. Sealne keskkond on tekkimise hetkel piisavalt tihe ja kuum, et pentakvargid saaks tekkida. Tuleb ka välja, et nad võivad oluliselt mõjutada neutrontähe teket ja varast evolutsiooni. Neutrontähe tekkega kaasneb tähe plahvatus supernoovana. Teatavasti pärinevad eluks vajalikud keemilised elemendid just supernoovadest.

Teisalt, supernoovadega võib kaasneda üks huvitav aga ebameeldiv kõrvalnähtus – gammasähvatus. Kui gammasähvatus toimub Päiksesüsteemile piisavalt lähedal ehk meie Galaktikas ja meie suunas, siis pühiks see suure tõenäosusega kogu keerulisema elu Maalt minema. On hinnatud, et sellise sündmuse oht võib olla umbes sarnane ohule Maa tabamiseks suure asteroidi või komeedi poolt. Mõni praktilisema meelega lugeja võib ehk küsida, et kus on pentakvargi kasu rahvamajandusele. Kindlasti on kasud sees, aga need avalduvad umbes saja aasta pärast.

LHC taaskäivitati tänavu ja nüüd põrgutatakse elementaarosakesi kaks korda suurema energiaga. Kui Higgsi boson ja pentakvark on leitud, siis millele nüüd nö jahti peetakse?

Tinglikult võib öelda, et LHC esimes faasis käis jaht kuninglikule trofeele, Higgsi bosonile. Nüüd on trofee kamina kohale riputatud, aga jalgu veel simsile visata ei saa. Higgsi bosonil (kuna ta on skalaarne osake) on üks paha omadus, ta on väga mõjutatav kõigist hüpoteetilistest raskematest osakestest. See mõju avaldub lihtsustatult selles, et Higgsi bosoni mass peaks olema umbes võrdne kõige kõrgema energiaskaalaga, mida me looduses tunneme.

Üldiselt peavad füüsikud kõige kõrgemaks usaldusväärseks skaalaks nn Plancki skaalat, 10 astmes 19 gigaelektronvolti. Aga nagu LHC näitas, siis Higgsi mass on kõigest tühised 100 gigaelektronvolti! Karlsson ütleks, et tühja kah, mis see 10 astmes 17 ehk 100 kvadriljoni kordne erinevus ära ei ole. Aga keskmisel osakestefüüsikul ajab see pea murest halliks. Seda kutsutakse "hierarhia probleemiks". Sellele probleemile on mõned populaarsed lahendused, kõige populaarsem on vast supersümmeetria.

Neil kõigil populaarsetel teooriatel on üks ühine omadus – need ennustavad, et eksisteerivad veel avastamata osakesed, mille mass on sarnane Higgsi bosoni massiga. Just neid, hierarhia probleemi lahendusega seotud uusi
osakesi hakkabki LHC oma uues tööfaasis jahtima.

Mis on hetkel CERN-i juures tegutseva Eesti tiimi peamisteks väljakutseteks ja kas on põhjust rääkida ka mõnedest tulemustest?

Kuna LHC põrguti ja ka selle detektorid on nüüd ümber seadistatud uuele töörežiimile, siis esimese asjana tuleb Eesti tiimil mõista neid efekte, mis ümberseadistamisega kaasnevad. Kuna prootonid põrkavad nüüd kõrgemal energial, siis tekib rohkem "müra" ehk sekundaarseid osakesi, milles meile huvi pakkuvaid osakesi otsida. Samuti on müra omadused nüüd erinevad ja neid erinevusi tuleb mõista. Selleks on vaja kulutada miljoneid protsessoritunde arvutusvõimsust, et modelleerida signaale ja müra ning "õpetada" arvutid leidma uusi signaale. Oletan, et kui kõik hästi läheb, siis esimestest tulemustest võib ehk rääkida järgmisel kevadel.

Mõned kriitikud, sealhulgas Stephen Hawking on hoiatanud CERNis toimuvate eksperimentide võimalike katastroofiliste tagajärgede eest - mida sellisele kriitikale vastata?

CERN suhtub sedatüüpi hoiatustesse, eriti kui need lähtuvad teadlastelt, üsna tõsiselt. Avaldatud on mitu CERNi-väliste teadlaste poolt koostatud riskianalüüsi ja kõik need on hinnanud seda tüüpi ohud olematuks. Põhiline argument on, et väga suure energiaga osakeste põrkeid toimub Maal pidevalt. Nimelt pommitavad Maa atmosfääri kosmilised kiired ehk energeetilised kosmosest pärit osakesed. Nende energia võib olla miljoneid kordi suurem, kui LHC poolt kiirendatud osakestel. Seega, kui osakeste põrgetel tekiks midagi ohtlikku, siis peaks see ka pidevalt toimuma looduses üsna meie ümber.