Højpræcisionsmålinger af det stærke samspil mellem stabile og ustabile partikler

De positivt ladede protoner i atomkerner burde faktisk frastøde hinanden, og alligevel hænger selv tunge kerner med mange protoner og neutroner sammen. Den såkaldte stærke interaktion er ansvarlig for dette. Prof. Laura Fabbietti og hendes forskningsgruppe ved Münchens Tekniske Universitet (TUM) har nu udviklet en metode til præcist at måle den stærke interaktion ved at udnytte partikelkollisioner i ALICE-eksperimentet ved CERN i Genève.

Det stærke samspil er en af ​​de fire grundlæggende kræfter i fysikken. Det er hovedsageligt ansvarligt for eksistensen af ​​atomkerner, der består af flere protoner og neutroner. Protoner og neutroner er opbygget af mindre partikler, de såkaldte kvarker. Og de holdes også sammen af ​​det stærke samspil.

Som en del af ALICE-projektet (A Large Ion Collider Experiment) på CERN i Genève, Prof. Laura Fabbietti og hendes forskningsgruppe ved det tekniske universitet i München har nu udviklet en metode til med stor præcision at bestemme de kræfter, der virker mellem protoner og hyperoner, ustabile partikler omfattende såkaldte mærkelige kvarker.

Målingerne er ikke kun banebrydende inden for kernefysik, men også nøglen til at forstå neutronstjerner, et af de mest gådefulde og fascinerende objekter i vores univers.

Sammenligning mellem teori og eksperiment

En af de største udfordringer inden for kernefysik i dag er at forstå den stærke interaktion mellem partikler med forskelligt kvarkindhold fra de første principper, det er, ud fra den stærke vekselvirkning mellem partiklernes bestanddele, kvarkerne og gluonerne, der formidler interaktionskraften.

Teorien om den stærke interaktion kan bruges til at bestemme styrken af ​​interaktionen. Imidlertid, disse beregninger giver ikke pålidelige forudsigelser for normale nukleoner med op- og ned-kvarker, men for nukleoner, der indeholder tunge kvarker, såsom hyperoner, der indeholder en eller flere mærkelige kvarker.

Eksperimenter for at bestemme den stærke interaktion er ekstremt vanskelige, fordi hyperoner er ustabile partikler, der hurtigt henfalder efter produktion. Denne vanskelighed har indtil videre forhindret en meningsfuld sammenligning mellem teori og eksperiment. Forskningsmetoden, som prof. Laura Fabbietti har implementeret, åbner nu en dør til højpræcisionsstudier af dynamikken i den stærke kraft ved Large Hadron Collider (LHC).

Måling af den stærke kraft selv for det sjældneste hyperon

Fire år siden, Prof. Fabbietti, professor i tæt og mærkelig hadronisk stof ved TUM, foreslået at anvende en teknik kaldet femtoskopi for at studere den stærke interaktion ved ALICE -eksperimentet. Teknikken gør det muligt at undersøge rumlige skalaer tæt på 1 femtometer (10^-15 meter) - omtrent på størrelse med en proton - og den rumlige rækkevidde af den stærke kraftpåvirkning.

I mellemtiden, Prof. Fabbiettis gruppe ved TUM formåede ikke kun at analysere de eksperimentelle data for de fleste hyperon-nukleon-kombinationer, det lykkedes dem også at måle den stærke interaktion for de sjældneste af alle hyperoner, Omega, bestående af tre mærkelige kvarker. Desuden, gruppen udviklede også deres egne rammer, der er i stand til at producere teoretiske forudsigelser.

"Min TUM-gruppe har åbnet en ny vej for kernefysik på LHC, en der involverer alle typer kvarker, at nå en uventet præcision på et sted, ingen har kigget hidtil, " siger prof. Fabbietti. Værket, der nu er udgivet i "natur", præsenterer kun nogle af de mange interaktioner, der blev målt for første gang.

Indeholder neutronstjerner hyperoner?

At forstå samspillet mellem hyperoner og nukleoner er også ekstremt vigtigt for at teste hypotesen om, hvorvidt neutronstjerner indeholder hyperoner. De kræfter, der eksisterer mellem partiklerne, har direkte indflydelse på størrelsen af ​​en neutronstjerne.

Indtil nu, forholdet mellem massen og radius af en neutronstjerne er ukendt. I fremtiden, Prof. Fabbiettis arbejde vil derfor også være med til at løse neutronstjernernes gåde.