Câte quarcuri însă poate conţine o particulă? Iată o întrebare fascinantă; cum vom vedea, răspunsul nu este banal, iar datele experimentale nu fac altceva decât să mărească misterul.
La ora actuală fizicienii au un model: modelul standard al particulelor elementare, care descrie foarte bine compoziţia şi comportarea particulelor cunoscute. În cadrul acestui model standard găsim: quarcuri, electroni, neutrini, fotoni, gluoni şi alte câteva particule descoperite de-a lungul anilor (Citește articolul dedicat particulelor elementare).
Materia care ne înconjoară şi noi înşine suntem alcătuiţi din aceste particule. Atomii sunt formaţi din nuclee, care sunt alcătuiţi din protoni şi neutroni, compuşi la rândul lor din quarcuri, şi electroni.
Ştim că protonii şi neutronii, denumiţi în mod generic nucleoni, sunt alcătuiţi fiecare din câte trei quarcuri (protonul conţine două quarcuri aşa-numite "up" şi un quarc "down", iar neutronul două quarcuri "down" şi un quark "up"). Aceste quarcuri sunt ţinute împreună în nucleoni de către gluoni – un fel de "lipici" care nu le permite quarcurilor să de "dezlipească" şi să părăsească nucleonii.
Detectorul BESIII din China, unul dintre cele două locuri unde a fost descoperit tetra-quarcul
Pe lângă protoni şi neutroni însă există multe alte particule alcătuite din quarcuri: acestea au fost descoperite şi studiate atât în cadrul cercetărilor care măsurau razele cosmice (particule care ajung pe Pământ din Univers), cât şi în cadrul celor efectuate la diverse acceleratoare din întreaga lume.
Au fost astfel descoperite sute de particule, denumite hadroni, alcătuite din quarcuri. Parte din acestea conţin, asemănător protonilor şi neutronilor, trei quarcuri şi se numesc barioni; o altă parte conţin un quarc şi un anti-quarc şi se numesc mezoni.
Atât barionii, cât şi mezonii au fost intens studiaţi, clasificaţi în diverse categorii şi catalogaţi. Există la ora actuală tabele de particule, pe sute de pagini, care conţin proprietăţile barionilor şi ale mezonilor.
De ce însă hadronii sunt compuşi din trei quarcuri sau un quarc şi un anti-quarc? Cine spune că nu pot fi alcătuiţi altfel? Nimeni!
Ba chiar există teorii care prevăd existenţa unor particule care au o structura mai complexă; cum ar fi particule alcătuite din mai mult de 3 quarcuri! Până la ora actuală însă nimeni nu a descoperit o astfel de particulă considerată "exotică".
Mezoni sau barioni exotici, deci cu o structură diferită faţă de cea standard, au fost şi continuă să fie căutaţi intens de către cercetători. Din când în când în cadrul unui proiect de cercetare se văd semnale care ar putea indica descoperirea acestor particule exotice – semnale însă care nu au fost confirmate în mod definitiv.
Recent însă, în cadrul a două experimente efectuate în China şi Japonia, a fost descoperită o nouă particulă, aşa-numita Zc(3900) care pare a fi alcătuită din două quarcuri şi două anti-quarcuri; având deci o structura exotică!
Experimentele care au măsurat noua particulă au fost efectuate la acceleratoarele BESIII la Beijing în China şi Belle la Tsukuba în Japonia; în cadrul acestor proiecte de cercetare colaborează sute de cercetători din întreagă lume.
Zc(3900) are o masă cam cât patru protoni, 3900 MeV/c2; nu toată lumea însă este convinsă că structura acestei noi particule este "exotică". Cei mai sceptici susţin că este de fapt vorba despre un fel de moleculă formată din doi mezoni "normali" (adică alcătuiţi fiecare dintr-un quarc şi un anti-quarc). Dacă aşa ar sta lucrurile este evident un caz interesant – însă mai puţin interesant decât situaţia în care am avea de-a face cu o structură "exotică".
Dacă am reuşi să descoperim o particulă "altfel" decât cele pe care le cunoaştem în prezent am putea înţelege mai bine misterioasa forţă nucleară tare – cea care ţine împreună quarcurile; la ora actuală teoria acestei forţe, cromodinamica cuantică, nu este înţeleasă pe deplin.
Este important? Sigur că da! La urmă urmei noi suntem alcătuiţi din quarcuri – înţelegerea modului în care aceştia stau împreună în particulele pe care le formează este o "chestiune vitală".
În viitorul apropiat vom înţelege dacă Zc(3900) este într-adevăr o "bestie rară" sau o moleculă alcătuită din doi mezoni normali, care sunt legaţi unul de altul, dând naştere la ceea ce pare a fi un tetra/quarc "exotic’.