Har du någonsin undrat hur solen skapar den energi som vi får från den varje dag och hur de andra grundämnena förutom väte har bildats i vårt universum? Kanske vet du att detta beror på fusionsreaktioner där fyra kärnor av väte går samman för att producera en heliumkärna. Sådana nukleosyntesprocesser är möjliga enbart på grund av existensen, för det första, av stabila deuteroner, som är uppbyggda av en proton och en neutron. sondera djupare, man finner att en deuteron består av sex lätta kvarkar. Intressant, det starka samspelet mellan kvarkar, som ger stabilitet till deuteroner, tillåter också olika andra sex-quark kombinationer, leder till möjlig bildning av många andra deuteronliknande kärnor. Dock, inga sådana kärnor, även om det teoretiskt spekulerats om och sökt experimentellt många gånger, har ännu observerats.

Allt detta kan förändras med en spännande ny upptäckt, var, med hjälp av en toppmodern beräkning av de första principerna av gitterkvantkromodynamik (QCD), den grundläggande teorin om starka interaktioner, en bestämd förutsägelse om förekomsten av andra deuteronliknande kärnor har gjorts av TIFRs fysiker. Med hjälp av beräkningsfunktionen för Indian Lattice Gauge Theory Initiative (ILGTI), Prof. Nilmani Mathur och postdoktor Parikshit Junnarkar vid institutionen för teoretisk fysik har förutspått en uppsättning exotiska kärnor, som inte finns i det periodiska systemet. Massorna av dessa nya exotiska kärnor har också beräknats exakt.

Dessa nya subatomära partiklar kan antingen vara gjorda av sex tunga kvarkar (charm och botten) eller tunga och konstiga kvarkar. De är stabila mot starkt och elektromagnetiskt förfall, men – till skillnad från deuteronet – kan de förfalla genom svaga interaktioner. Förvånande, det har visat sig att stabiliteten hos sådana kärnor ökar när de blir tyngre. Dessa förutsägelser kan hjälpa till att upptäcka dessa nya subatomära partiklar vid experimentanläggningar.

Detta öppnar också för möjligheten att det finns många andra exotiska kärnor, som kan bildas genom sammansmältning av tunga baryoner, liknande bildandet av kärnor av element i det periodiska systemet. I sådana reaktioner, dessa deuteronliknande kärnor skulle mycket väl kunna spela samma roll som deuteronet i nukleosyntesen. Bildandet av dessa nya subatomära partiklar ökar också möjligheten till en kvarknivåanalog av kärnfusion som diskuterats nyligen [ Natur 551, 89 (2017)]. Bildandet av några av dessa tillstånd genom fusion är mycket exotermiskt, frigör energi så stor som 300 MeV/reaktion – en spännande möjlighet för energiskapande någon dag i framtiden!

Förutsäga nya subatomära partiklar, speciellt med mer än tre kvarkar, genom första principberäkningar kräver en intrikat sammanslagning mellan teori och högpresterande beräkningar. Det kräver inte bara en sofistikerad förståelse av de kvantfältteoretiska frågorna, men tillgången på storskaliga beräkningsresurser är också avgörande. Faktum är att några av de största vetenskapliga beräkningsresurserna i världen utnyttjas av gittermätare teoretiker, som de på TIFR, som försöker lösa mysteriet med starka interaktioner i vårt universum genom sina undersökningar inuti femtovärlden (dvs. inom en skala av cirka en miljon miljarddels meter). Lattice QCD-metoder kan också spela en avgörande roll för att förstå materia under förhållanden med hög temperatur och densitet liknande de i universums tidiga skeden efter Big Bang.