Mød odderon:Stort Hadron Collider -eksperiment viser potentielle beviser for quasiparticle søgt i årtier

I en 17-mile cirkulær tunnel under grænsen mellem Frankrig og Schweiz, et internationalt samarbejde mellem forskere kører eksperimenter ved hjælp af verdens mest avancerede videnskabelige instrument, Large Hadron Collider (LHC). Ved at smadre sammen protoner, der bevæger sig tæt på lyshastighed, partikelfysikere analyserer disse kollisioner og lærer mere om den grundlæggende sammensætning af alt stof i universet. I de seneste år, for eksempel, disse forsøg viste data, der førte til Nobelprisen for opdagelsen af ​​Higgs Boson.

Nu, et team af eksperimentelle partikelfysikere med høj energi, herunder flere fra University of Kansas, har afdækket mulige beviser for en subatomær kvasipartikel kaldet en "odderon", der - indtil nu - kun var blevet teoretiseret til at eksistere. Deres resultater offentliggøres i øjeblikket på arXiv- og CERN-forudskrivningsservere i to papirer, der er indsendt til fagfællebedømte tidsskrifter.

"Vi har ledt efter dette siden 1970'erne, "sagde Christophe Royon, Foundation Distinguished Professor i KU Institut for Fysik &Astronomi.

De nye fund vedrører hadroner (familien af ​​partikler, der omfatter protoner og neutroner), som er sammensat af kvarker "limet" sammen med gluoner. Disse særlige eksperimenter involverer "kollisioner", hvor protonerne forbliver intakte efter kollisionen. I alle tidligere forsøg, forskere opdagede kollisioner, der kun involverede lige antal gluoner, der blev udvekslet mellem forskellige protoner.

"Protonerne interagerer som to store semi-lastbiler, der transporterer biler, den slags du ser på motorvejen, "sagde Timothy Raben, en partikelteoretiker ved KU, der har arbejdet med odderon. "Hvis disse lastbiler styrtede sammen, efter nedbruddet ville du stadig have lastbiler, men bilerne ville nu stå udenfor, ikke længere ombord på lastbilerne - og der produceres også nye biler (energi omdannes til stof). "

I det nye papir, forskere, der bruger mere energi og observerer kollisioner med mere præcision, rapporterer potentielle beviser for et ulige antal gluoner, uden kvarker, udvekslet i sammenstødene.

"Indtil nu, de fleste modeller troede, at der var et par gluoner - altid et lige antal, "sagde Royon." Nu måler vi for første gang det større antal begivenheder og ejendomme og ved en ny energi. Vi fandt målinger, der er uforenelige med denne traditionelle model for at antage et lige antal gluoner. Det er en slags opdagelse, som vi måske har set for første gang, denne ulige udveksling af antallet af gluoner. Der kan være tre, fem, syv eller flere gluoner. "

KU -forskerne forklarede, at odderon kan ses som det samlede bidrag, der kommer fra alle former for ulige gluonudvekslinger. Det repræsenterer involvering af alle tre, fem, syv eller andre ulige tal af gluoner. Derimod, den ældre model antager et bidrag fra alle lige antal gluoner, så det inkluderer bidrag fra to, fire, seks eller flere lige-talede gluoner sammen.

På LHC, arbejdet blev udført af et team på mere end 100 fysikere fra otte lande ved hjælp af TOTEM -eksperimentet, nær et af de fire punkter i superkollideren, hvor protonstråler rettes ind i hinanden, får milliarder af protonpar til at kollidere hvert sekund.

KU -forskere sagde, at resultaterne giver nye detaljer til standardmodellen for partikelfysik, en almindeligt accepteret fysikteori, der forklarer, hvordan stofets grundlæggende byggesten samspiller.

"Dette bryder ikke standardmodellen, men der er meget uigennemsigtige områder i standardmodellen, og dette værk skinner et lys over en af ​​de uigennemsigtige områder, sagde Raben.

Fysikere har forestillet sig eksistensen af ​​odderon i mange årtier, men indtil LHC begyndte at operere med sine højeste energier i 2015, odderon forblev kun formodning. Data indsamlet og præsenteret i det nye papir blev indsamlet ved 13 teraelektronvolt (TeV), de hurtigste forskere nogensinde har været i stand til at kollidere protoner.

"Disse ideer går tilbage til 70'erne, men selv på det tidspunkt blev det hurtigt tydeligt, at vi ikke var teknologisk tæt på at kunne se odderonen, så selvom der er flere årtiers forudsigelser, odderon er ikke set, "Sagde Raben.

Ifølge KU -forskerne TOTEM -eksperimentet var designet til at opdage de protoner, der ikke ødelægges af kollisionen, men kun er lidt afveget. Så, TOTEM -partikeldetektorerne er placeret få millimeter fra de udgående stråler af protoner, der ikke interagerede. Ved at sammenligne nuværende resultater med målinger foretaget ved lavere energier ved hjælp af mindre kraftige partikelacceleratorer, TOTEM har været i stand til at foretage den mest præcise måling nogensinde.

Medforfatterne sammenlignede forholdet mellem signaturer fra kollisioner ved forskellige energier for at etablere "rho-parameteren, "en foranstaltning, der hjalp med at opbygge beviser for den mulige tilstedeværelse af odderons.

"Hvis du går til virkelig høje energier, der er signaturer af adfærden af ​​bjælker kollideret ved en høj energi, der kan måles, "sagde Raben." Men der er forskellige former for vækstsignaturer med høj energi. Indtil nu, vi har kun været nødt til at tænke på en type højenergivækstadfærd. Disse mængder kan i det væsentlige ændre sig som en funktion af energimængden. Rho -parameteren måler i det væsentlige forholdet mellem en signatur og en anden af ​​denne høje energivækst. "

En sådan måling af rho -parameteren skyldes det delte arbejde, samarbejde og centrale bidrag, om detektorernes hardware og især om fysikanalysen af flere postdocs og seniorfysikere.

Bortset fra Royon, KU -personale involveret i de nye TOTEM -fund omfatter postdoktorforsker Nicola Minafra, der tjente en CMS -præstationspris i år, og kandidatstuderende Cristian Baldenegro Barrera, Justin Williams, Tommaso Isidori og Cole Lindsey. Andre KU -forskere, der deltager i arbejdet, er Laurent Forthomme, en postdoktor, der også er baseret på CERN og arbejder på CMS/TOTEM -eksperimenterne, og kandidatstuderende Federico Deganutti, der arbejder med Raben om teori.

"Vores elever kommer fra mange forskellige nationer, "sagde Royon." KU arbejder på grænsen til nye ting, og vi forventer store resultater i de kommende måneder eller år. Andre forskningsindsatser omfatter at lede efter en ekstra dimension i universet, men for nu ser vi bare på dataene. "

Royon sagde, at TOTEM-eksperimentets hurtige timing-detektorer, der bruges til at måle protoners flyvetid i LHC, kunne se mange anvendelser inden for medicin, rumfysik med NASA til måling af kosmiske stråler, og afsaltning af havvand, et koncept, som KU -fysikeren udforsker med Mark Shiflett, en Foundation Distinguished Professor på KU Engineering School.