'Holy Grail' Hadron: Tutkijat Ovat Lähelle Havaittavaa Hämmentävää Tetraquark-Partikkelia

{h1}

Kuten neulan löytäminen heinäsuovasta heinäsuovasta

Flit, zip, jitter, puomi. Kvarkit, pienet hiukkaset, jotka muodostavat kaiken universumissa konkreettisen, säilyvät salaperäisiksi fyysijoille jopa 53 vuotta sen jälkeen, kun tutkijat alkoivat ensin epäillä näiden hiukkasten olemassaoloa. He kiertävät tieteellisten välineiden herkkyyden reunalla, oksennetaan pois suurempien hiukkasten sisällä ja hajoavat korkeammista muodoistaan ​​yksinkertaisimpiin puoleen ajasta, jolloin valonsäde kulkee suolan läpi. Pienet vakoojat eivät anna salaa helposti.

Siksi fyysikkoille kesti yli viiden vuosikymmenen ajan vahvistavansa olemassa olevan eksoottisen hiukkasen olemassaolon, jota he ovat metsästäneet kvarktieteen alusta lähtien: massiivinen (ainakin subatomisten hiukkasten termeillä), vaikeaselkoinen tetraquark.

Tel Avivin yliopiston fyysikot Marek Karliner ja Chicagon yliopiston Jonathan Rosner ovat vahvistaneet, että outo, massiivinen tetraquark voi olla puhtaimmassa, oikeassa muodossaan: neljä hiukkasia, jotka ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa yhden suuremman partikkelin sisällä ilman esteitä pitää ne erossa. Se on vakaata, he löysivät ja todennäköisesti syntyy Large Hadron Collider -hiukkasten hiukkasten murtauduttua Sveitsin CERN-hiukkasfysiikkalaboratoriossa. He raportoivat julkaisussa, joka julkaistaan ​​lehdessä julkaistussa Physical Review Letters -lehdessä. [Beyond Higgs: 5 turhia hiukkasia, jotka saattavat kuulla maailmankaikkeudessa]

Pidä kiinni - mitä quark on quark?

Jos tiedät hiukan hiukkasfysiikasta, luultavasti tiedät, että kaiken massa koostuu atomista. Sukellus hiukan syvemmälle hiukkasfysiikkaan paljastaisi, että nämä atomit koostuvat subatomisista hiukkasista - protonit, neutronit ja elektronit. Edelleen syvempi ilme paljastaisi kvarkeja.

Neutronit ja protonit ovat yleisimpiä esimerkkejä hiukkasille, joita kutsutaan hadronina. Jos voisit vertailla hadronia, saatat löytää, että se koostuu vieläkin tärkeimmistä hiukkasista, jotka tarttuvat tiiviisti yhteen. Ne ovat kvarkeja.

Kaavio osoittaa, kuinka kvarkit sopivat tavallisesti pieniin hiukkasiin.

Kaavio osoittaa, kuinka kvarkit sopivat tavallisesti pieniin hiukkasiin.

Luotto: udaix / Shutterstock

Kuten atomeja, jotka omaavat erilaisia ​​ominaisuuksia riippuen niiden protoni- ja neutronien yhdistelmistä, hadronit tulkitsevat ominaisuutensa niiden residuaalisten kvarkien yhdistelmistä. Protonia? Se on kaksi "up" kvarkia ja yksi "down" quark. Neutronit? Ne koostuvat kahdesta "alas" kvarkista ja yhdestä "up" quarkista. [Wacky Physics: Tuoreimmat pienet hiukkaset luonnossa]

(Elektronit eivät ole kvarkeja, koska ne eivät ole hadroneja - ne ovat leptoneja, jotka ovat osa kvarkeja kaukaisista serkusta.)

"Up" ja "down" ovat yleisimpiä kvarkin makuja, mutta ne ovat vain kaksi kuudesta. Muut neljä - "charmia", "ylhäältä", "outoja" ja "pohjaisia" kvarkeja - olivat olemassa Big Bangin hetkinä, ja ne esiintyvät äärimmäisissä tilanteissa, kuten nopeiden törmäysten aikana hiukkasten törmäyksissä. Mutta he ovat paljon raskaampia kuin ylös ja alas kvarkeja ja heillä on taipumus hajota kevyempiä sisaruksiaan niiden luomisen hetkinä.

Mutta ne raskaammat kvarkit voivat kestää niin kauan, että ne liittävät yhteen outoja hadronia, joilla on epätavallisia ominaisuuksia, jotka pysyvät vakainakin niiden sisäisten kvarkien lyhyessä elinaikana. Joitakin hyviä esimerkkejä: "kaksinkertaisesti hurmaava baryon" tai hadron, joka koostuu kahdesta charmikvarkista ja kevyemmästä kvarkista; ja sen serkku, muodostui, kun hadron koostui kahdesta suuresta pohjasta kvarkista ja yhdestä kevyemmästä quark-sulakkeesta yhteen flash-voimalla tehokkaammin kuin yksittäiset fuusioreaktiot vetypommien sisällä. (Huomattakoon, että pohjakalkin fuusio on sotilaallisesti hyödytön raskaiden kvarkkien lyhyiden elinaikojen ansiosta.)

Leikkii väreillä

"Epäily oli ollut monen vuoden ajan [tetraquark] mahdotonta," Karliner kertoi WordsSideKick.comille.

Tämä johtuu siitä, että fyysiset lait ehdottivat, että neljä kvarkia ei voinut todellisuudessa sitoa vakaaseen hadroniksi. Siksi miksi: Samoin kuin atomeissa, joissa positiivisesti varautuneiden protonien ja negatiivisesti varautuneiden elektronien välinen vetovoima on se, mikä pitää heidät yhdessä, myös joukot pitävät hadroneja yhdessä. Atomeissa positiiviset ja negatiiviset hiukkaset pyrkivät jatkuvasti neutraloimaan maksut nollaksi, jolloin protonit ja elektronit pysyvät yhdessä ja kumoavat toisiaan. [7 outoa tietoa Quarkista]

Kvarkeilla on positiiviset ja negatiiviset elektrodynaamiset varaukset, mutta ne toimivat myös vuorovaikutuksessa toistensa kanssa voimakkaamman voimakkaan voiman avulla. Ja vahvalla voimalla on myös maksuja, joita kutsutaan värimaksuiksi: punainen, vihreä ja sininen.

Jokainen quark voi olla värimaksu. Ja kun ne sitovat yhdessä muodostamaan hadroneja, kaikkien näiden maksujen on peruttava. Joten esimerkiksi punaisen kvarkin on kytkeydyttävä joko vihreään kvarktiin ja siniseen quarkiin tai sen antimateriaaliin - "antiquark", jolla on värimaksu "antired". (Tämä on aivojasi kvanttimekaniikassa.) Kaikkien värien ja sen anticolor-yhdistelmä tai kaikki kolme väriä muodostavat neutraalin värin. Fyysikot kutsuvat näitä hiukkasia "valkoiseksi".

Tetraquark: Se on kuin suhde (koska se ei aina toimi)

Joten, Karliner sanoi, ei ole vaikea kuvitella neljän quark hadronia: vain kiinni kaksi kvarkia kahteen rinnakkaiseen antiquarkiin. Mutta vain siksi, että pidät kiinni neljä vastaavaa kvarkia yhdessä, hän sanoi, ei tarkoita, että he ovat riittävän vakavia muodostaakseen todellisen hadronin - he voisivat lentää toisistaan.

"Juuri siksi, että siirrät kaksi miestä ja kaksi naista asuntoon," Karliner sanoi, "ei tarkoita, että he asettuisivat ja muodostaisivat ydinperheen."

Kvarkeilla on massa, mitkä fyysikot mittaavat energiayksiköissä: megaelektron volttia tai MeV. Kun ne sitovat yhteen, osa tästä massasta muuttuu sitovaa energiaa pitämään ne yhteen, mitattuna myös MeV: ssä. (Muista Einsteinin E = mc ^ 2? Tämä energia on yhtä suuri kuin massa-ajat - nopeuden valo-neliö, yhtälö, joka ohjaa tätä muutosta.)

Jos massa on liian suuri sitovaa voimaa kohti, hadronin ympärillä olevat kvarkit energia repäisevät hiukkaset erilleen. Jos se on tarpeeksi alhainen, partikkeli elää tarpeeksi kauan, jotta kvarkit asettuvat ja kehittävät ryhmän ominaisuuksia ennen kuin ne hajoavat. Suuri, onnellinen quark-foursome perheen on oltava massa pienempi kuin kaksi mesonia (tai quark-antiquark paria) kiinni toisiinsa, Karliner mukaan.

Valitettavasti kvarkiperheen massa sen jälkeen, kun osa sen irtokaasusta muutetaan sitovaksi voimaksi, on uskomattoman vaikea laskea, mikä vaikeuttaa sen selvittämistä, onko tietty teoreettinen partikkeli vakaa.

Tutkijat ovat tienneet noin vuosikymmenen siitä, että mesonit voivat sitoutua muihin mesoneihin ad-hoc-tetraquarkien muodostamiseksi, ja siksi saatat nähdä raporteita, jotka kertovat ennen olemassa olevien tetraquarkien olemassaolosta. Mutta niissä tetraquarkeissa jokainen quark vuorovaikuttaa ensisijaisesti sen parin kanssa. Todellisessa tetraquarkissa kaikki neljä sekoittaisivat toisiinsa tasaisesti.

"Se on viehättävä ja mielenkiintoinen, mutta ei sama", Karliner sanoi. "Erilainen on, että kaksi paria eri huoneissa jakaa huoneiston ja kaksi miestä ja kaksi naista yhdessä kaikkien kanssa... vuorovaikutuksessa kaikkien muiden kanssa."

Mutta ne kaksinkertaiset mezonitetraquarkit tarjoavat massakynnyksen, jonka todellisten tetraquarkien on ylitettävä olevan vakaa, hän sanoi.

Neula heinänpäätaskussa

Teoriassa Karliner sanoi, että olisi mahdollista ennustaa stabiilin tetraquarkin olemassaolo puhtaasta laskennasta. Mutta kvanttimekaniikka oli aivan liian vaikeaa tehdä työtä kohtuullisella luottamustavalla.

Karliner ja Rosnerin keskeinen käsitys oli, että voisitte alkaa selvittää harvinaisten hadronien massaa ja sitovaa energiaa analogisesti tavallisimpiin hadronit, jotka oli jo mitattu.

Muista, että kaksinkertaisesti hurmattu baryon aiemmin? Ja sen räjähtävä serkku kahden pohjakvariin? Vuonna 2013 Karliner ja Rosner alkoivat epäillä, että he voisivat laskea massansa, kun ajattelivat tarkasti sitovaa energiaa mesonien sisällä, jotka muodostuivat viehätyskarkeista ja anticharm kvarkeista.

Kvanttimekaniikka viittaa siihen, että kaksi eri väristä viehättävää kvartaa - toisin sanoen punaista viehätystä ja vihreää charmia - pitäisi sitoa täsmälleen puolet kiehtovasta kvarkista ja sen antimateriaalista - toisin sanoen punaisesta viehättävistä kvarkista ja antired charmista antiquarkista. Ja tiedemiehet ovat jo mitanneet tämän sidoksen energian, joten acharm-charm-bondin energia olisi puolet siitä.

Joten Karliner ja Rosner työskentelivät näiden lukujen kanssa, ja he huomasivat, että kaksinkertaisesti hurmaavan baryonin ja kaksoispohjaisen baryonin massan olisi oltava 3627 MeV plus tai miinus 12 MeV. He julkaisivat paperit ja työntivät CERN: n (European Organization for Nuclear Research) kokeilijoita aloittamaan metsästyksen, Karliner sanoi.

LHCb-ilmaisin CERN: ssä.

LHCb-ilmaisin CERN: ssä.

Luottamus: CERN

Mutta Karliner ja Rosner tarjosivat CERNille etenemissuunnitelman ja lopulta CERN: n tutkijat liittyivät. Heinäkuussa 2017 ensimmäiset määrätyt kaksinkertaisesti hurmaavat baryonit kääntyivät Suuren Hadron Colliderin (LHC) päälle. [Kuvat: Maailman suurin Atom Smasher (LHC)] "Kokeilijat olivat melko skeptisiä aluksi", että olisi mahdollista löytää kaksinkertaisesti hurmattu baryonit todellisessa maailmassa, Karliner sanoi. "Se on kuin etsimällä neulaa ei heinäsuovasta, mutta heinäsuovasta heinäsuovasta."

"Me ennustimme vuonna 2014, että tämän kaksinkertaisesti hurmaavan baryonin massa oli 3,627 MeV, anna tai ota 12 MeV", Karliner sanoi. "LHC mitattiin 3,621 MeV, anna tai ota 1 MeV."

Toisin sanoen ne naulittiin.

Ja koska niiden laskenta osoittautui oikeaksi, Karlinerilla ja Rosnerilla oli tiekartta todelliselle vakaalle tetraquarkille.

Yksi iso, rasva, onnellinen perhe

Kvanttimekaniikassa Karliner selitti, että yleinen sääntö on, että raskaammat kvarkit pyrkivät sitomaan paljon tiukemmin toisiinsa kuin kevyet kvarkit tekevät. Joten jos aiot löytää vakaan tetraquarkin, se todennäköisesti ottaa osaa kvarkeja maku-spektrin raskaammasta päästä.

Karliner ja Rosner saivat työskennellä heti, kun kaksinkertaisesti hurmattu baryonimitta ilmoitettiin. Ensiksi he laskivat tetraquarkin massan, joka koostui kahdesta viehättävistä quarkeista ja kahdesta kevyemmästä antiquarkista; viehätyskvarkit ovat loppujen lopuksi melko kookkaita, noin 1,5 kertaa protonin massa. Lopputulos? Kaksinkertaisesti hurmaava tetraquark osoittautuu oikealle vakaalle ja epävakaalle reunalle, sillä molemmilla puolilla on tilaa virheelle - toisin sanoen liian epävarma kutsuakseen löytöä.

Mutta viehätyskvartit eivät ole suurimpia kvarkeja ympärillä. Syötä pohjakvari, joka on elementaarisen hiukkasen todellinen hirviö noin 3,5-kertaiseksi hänen hurmaavan sisaruksensa massaan, ja siihen liittyvä harppaus sitovaa energiaa.

Sulje kaksi niistä yhdessä, Karliner ja Rosner lasketaan yhdessä ylös antiquark ja alas antiquark, ja tulet vakaan neljänneksen - muuntaa niin paljon niiden irtotavarana sitovaa energiaa, että he päätyvät 215 MeV alle maksimi massakynnys, jonka virhemarginaali on vain 12 MeV.

"Kaiken tämän lopputulos on, että meillä on nyt voimakas ennuste tämän teoksen massalle, joka oli ollut teoreettisen fysiikan tämän haaran pyhä graalin", Karliner sanoi.

Tällainen tetraquark ei elä kovin pitkään, kun se on luotu; se näkyy vain yhden kymmenesosan pikosekvenssin jälkeen tai jonkin aikaa kuluu valonsäde, joka kulkee yhden mikroskooppisen ihosolun yli. Se sitten hajoaa yksinkertaisempien yhdistelmien ylä-ja alas quarks. Mutta se, että 0,1 pikosekuntia (yksi kymmenen biljoonaa sekuntia) on tarpeeksi pitkä kvanttimekaanisessa mittakaavassa pidettäväksi stabiilina hiukkasena.

"Se on kuin vertaisit ihmisen elämää [mantereiden liikkumiseen]", Karliner sanoi. "Jos sinulla on joitain eläimiä, jotka elävät sekuntien jakeiden mittakaavassa, ihmisen elämä tuntuu lähes ääretöntä."

Sveitsiin

Seuraavassa vaiheessa, kun teoreetikot ennustivat hiukkasen, CERN: n kokeilijoiden on pyrittävä luomaan se hiukkaskimpun, LHC: n, kilometreinä putkissa.

Tämä voi olla hankala prosessi, erityisesti pohjakvarkkien erityisominaisuuksien takia.

LHC toimii sytyttäen protonien yhteen suurilla valonopeuden jakeilla, vapauttaen tarpeeksi energiaa jakajalle, että osa siitä kääntyy takaisin massaan. Ja pieni massa tuosta massasta tiivistyy harvinaisiin aineen muotoihin - kuten kaksinkertaisesti hurmattu baryoni.

Mutta raskaampi hiukkanen on, sitä alhaisemmat kertoimet, jotka alkavat olla LHC: ssä. Ja pohjakvari ovat poikkeuksellisen epätodennäköisiä luomuksia.

Jotta rakennettaisiin tetraquark, Karliner sanoi, LHC: n on tuotettava kaksi pohjakvariota tarpeeksi lähellä toisiaan, että ne sitovat ja sitten "koristele" niitä kahdella kevyellä antiquarkilla. Ja sen täytyy tehdä se uudestaan ​​ja uudestaan ​​- kunnes on tapahtunut tarpeeksi aikaa, että tutkijat voivat olla varmoja niiden tuloksista.

Mutta se ei ole niin epätodennäköistä kuin saattaa kuulostaa.

"Näyttää siltä, ​​että jos harkitsette, miten tekisit tällaisia ​​asioita laboratoriossa," Karliner sanoi, "todennäköisyys tehdä heistä on vain hieman vähemmän todennäköistä kuin löytää se baryon kaksi pohjakvariota ja yksi kevyt quark."

Ja metsästys on jo käynnissä.

Kun kaksiosainen quark-baryoni on löydetty, Karliner sanoi - tulos odottaa lähivuosina - "kello alkaa tikittää" tetraquarkin ilmestymisestä.

Jossain läsnä on eetteri on hadron, jonka fyysikot ovat metsästäneet 53 vuotta. Mutta nyt he ovat saaneet tuoksunsa.

Toimittajan huomautus: Tämä artikkeli päivitettiin korjata tutkijan aikaisemman kaksinkertaisen hurmaavan baryon-ennusteen massa. Se oli 3 647 MeV, ei 4 627 MeV.

Alun perin julkaistu WordsSideKick.com.


Video Täydentää: .




FI.WordsSideKick.com
Kaikki Oikeudet Pidätetään!
Jäljentämistä Materiaalien Sallittu Vain Prostanovkoy Aktiivinen Linkki Sivustoon FI.WordsSideKick.com

© 2005–2019 FI.WordsSideKick.com