Arbejder med at forstå kvarkers skiftende smag

Synligt stof, eller de ting, der sammensætter de ting, vi ser, er lavet af partikler, der kan opfattes som byggeklodser lavet af flere byggeklodser, stadigt faldende i størrelse, ned til det subatomare niveau. Atomer er lavet af ting som protoner og neutroner, som er sammensat af endnu mindre byggesten som kvarker. At studere de mindste byggesten kræver eksperimenter, hvor atomare partikler accelereres og brydes fra hinanden, derefter teoretisk arbejde med at forstå og beskrive, hvad der skete.

UConn assisterende professor i fysik Luchang Jin studerer partikel- og kernefysik, og arbejder på at forstå mere om subatomære partikler og hvordan de opfører sig. Jin vil præsentere de seneste resultater på efterårsmødet 2021 i American Physical Society's Division of Nuclear Physics i oktober.

"Emnet beskriver, hvordan kvarker 'ændrer smag, ' eller overgang, på grund af svage interaktioner, "siger Jin." Standardmodellen beskriver fire typer af interaktioner, og svage interaktioner er en af ​​dem. Vi studerer de parametre, der beskriver overgangssandsynligheden."

Quarks kan have seks typer "smag" eller forskelle i masse og ladning - op, charme, ned, bund, top, og mærkeligt - og forstå, hvordan de skifter fra en smag til en anden, Jin siger, kan hjælpe os med at forstå mere om universets indre funktion.

Jin forklarer, at denne forskning ser på sandsynligheden for, at op-kvarker går over til ned-kvarker. Overgangssandsynligheden for denne smagsændring og sandsynligheden for, at op-kvarker går over til andre kvarker, bør summeres til én, men det gør de ikke, og dette underskud er spændende.

"Dette kan indikere noget, for eksempel at vi desværre på en eller anden måde ikke målte disse værdier nøjagtigt nok, " siger Jin. "Det kan tyde på, at der er nogle nye partikler, som vi ikke kender endnu, og det bliver meget spændende. Det arbejde, jeg prøver at gøre, er at forsøge at sikre, at vi måler disse mængder nøjagtigt."

Jin siger, at de eksperimentelle aspekter af dette arbejde er i relativt god form; flaskehalsen, imidlertid, er med det teoretiske aspekt, som Jin håber at hjælpe med at løse ved at bestemme relationerne mellem kvarkovergangssandsynligheder ud fra de eksperimentelle data for hadronovergangssandsynligheder.

Hadroner er en type subatomare partikel lavet af to eller flere kvarker, som er klassificeret efter styrken af ​​deres interaktioner med hinanden på en skala af "farveladning". Imidlertid, nogle farveladede partikler kan ikke studeres under normale forhold, og de omtales derfor som "farvebegrænsede". På grund af farvebegrænsningen, eksperimentalister kan ikke isolere en fri kvark, kvarkerne lever altid inde i farve neutrale hadroner.

Ved at bruge en række teoretiske værktøjer såsom storskala, gitter kvantekromodynamik (QCD) beregninger, og anvendelse af teori, såsom den chirale forstyrrelsesteori, forskere arbejder for bedre at forstå disse relationer i de eksperimentelle processer, siger Jin.

"Jeg arbejder på at bestemme sandsynligheden for kvarkovergange ud fra de eksperimentelle input. Der er mange forskellige eksperimentelle input, som man kan bruge."

Forskerne var i stand til at løse en del af puslespillet ved at løse usikkerhed i de teoretiske beregninger, som relaterer et eksperimentelt input til de ønskede kvarkovergangssandsynligheder.

"Imidlertid, at eksperimentelt input i sig selv ikke er særlig nøjagtigt, " siger Jin. "Vi løste den teoretiske del, men den hadron-overgangsproces er en lille smule svær for eksperimentalisterne. Hvis vi virkelig ønsker at bestemme kvarkovergangssandsynligheden fra den proces, vi er nødt til at forbedre den eksperimentelle præcision med omkring ti gange. Efter dette arbejde, det vil blive en meget ren proces set fra et teoretisk synspunkt."

På Aps møde, Jin vil præsentere data, der udforsker parametre for en anden smagsswitch; denne gang, for hvordan en op-kvark skifter til en mærkelig kvark.

Det arbejde ligner, og forskerne var i stand til at anvende den samme beregning og teori til at bestemme de relevante lave energikonstanter i chiral perturbationsteori. "Nu kender vi de lave energikonstanter meget godt på grund af denne beregning, men dette løser ikke hele problemet på grund af begrænsningen af ​​den chirale forstyrrelsesteori."

Jin vil også præsentere nyere data til igangværende arbejde, herunder innovationer til regnskab for fotoner, der besidder egenskaber, der kan føre til vanskeligheder ved beregninger, reduktion i præcision, og systematisk fejl,

"Vi forsøger at foretage gitterberegningen på en anden måde for helt at undgå disse spørgsmål fra kiral forstyrrelsesteori, " siger Jin.

Arbejdet for mere præcision fortsætter med at forstå de smage og kræfter, der holder synligt stof sammen, siger Jin.

"Dette er et igangværende arbejde og naturligvis at fortsætte, man kan ikke vente med at prøve at løse de andre problemer. Dette arbejde er grænsen for vores forståelse af naturen."