Fysikere opdager en ny klasse af pentaquarks

Tomasz Skwarnicki, professor i fysik ved College of Arts and Sciences ved Syracuse University, har afsløret ny information om en klasse af partikler kaldet pentaquarks. Hans resultater kunne føre til en ny forståelse af stoffets struktur i universet.

Assisteret af Liming Zhang, en lektor ved Tsinghua University i Beijing, Skwarnicki har analyseret data fra Large Hadron Collider skønhedseksperimentet (LHCb) ved CERNs Large Hadron Collider (LHC) i Schweiz. Den eksperimentelle fysiker har afsløret beviser for tre aldrig før sete pentaquarks, hver delt i to dele.

"Indtil nu, vi havde troet, at en pentaquark bestod af fem elementarpartikler [kaldet kvarker], hænger sammen. Vores resultater beviser det modsatte, " siger Skwarnicki, en Fellow fra American Physical Society.

Skwarnicki er en del af et team af forskere, herunder medlemmer af Syracuse's High-Energy Physics (HEP) gruppe, studere fundamentale partikler og kræfter i universet. Det meste af deres arbejde foregår på CERN-laboratoriet, hvis LHC er den største, den mest kraftfulde partikeldetektor i verden.

Det er i LHC, at protoner slynges sammen ved høje energier, kun for at kollidere med hinanden. Hvad der ligger inde i partiklerne, når den er revnet åben, hjælper videnskabsmænd med at undersøge mysterierne i det fundamentale univers.

Undersøgelse af protonkollisioner fra 2015-18, Skwarnicki har bekræftet eksistensen af ​​underbygning i en pentaquark. Giveawayen, han siger, var en trio af smalle toppe i LHC kinematiske data.

Hver top refererer til en bestemt pentaquark – specifikt, en opdelt i to dele:en baryon, indeholdende tre kvarker, og en meson, med to kvarker.

En top antyder også resonans, et kortvarigt fænomen under partikelhenfald, hvor en ustabil partikel forvandles til flere andre. Resonans opstår, når protoner (en type baryon) mødes - eller, mere præcist, glide ind i hinanden - under en LHC-kollision.

Det unikke ved hver af disse tre pentaquarks er, at dens masse er lidt lavere end summen af ​​dens dele - i dette tilfælde, masserne af baryon og meson. "Pentaquark forfaldt ikke med sin sædvanlige lethed, falde fra hinanden proces, " siger Skwarnicki. "I stedet, det henfaldt ved langsomt og møjsommeligt at omarrangere sine kvarker, danner en snæver resonans."

At forstå, hvordan partikler interagerer med og binder sammen, er Skwarnickis speciale. I 2015 han og så ph.d. studerende Nathan Jurik G'16, Den fremtrædende professor Sheldon Stone og Zhang skabte overskrifter med deres rolle i LHCb's påvisning af en pentaquark. Teoretiseret et halvt århundrede tidligere, deres opdagelse trak på LHC-data fra 2011-12.

LHCbs seneste data brugte en energistråle, der var næsten dobbelt så stærk. Denne metode, kombineret med mere raffinerede dataudvælgelseskriterier, produceret et større udvalg af protonkollisioner.

"Det gav os også 10 gange flere data og gjorde det muligt for os at observere pentaquark strukturer mere tydeligt end før, " siger Skwarnicki. "Det, vi troede, var kun en pentaquark, viste sig at være to smalle, med lidt mellemrum mellem dem."

Dataene afslørede også en tredje "ledsager" pentaquark. "Alle tre pentaquarks havde det samme mønster - en baryon med en meson-understruktur. Deres masser var under passende baryon-meson-tærskler, " tilføjer han.

Skwarnickis opdagelse skete relativt hurtigt, i betragtning af, at LHCb holdt op med at indsamle data for mindre end tre måneder siden.

Eric Sedore, associeret CIO for infrastrukturtjenester i Information Technology Services (ITS), spillede en birolle. Hans Research Computing Team leverede den nødvendige computerildkraft til Skwarnicki for at nå sine mål.

Ud over Skwarnicki og Stone, HEP omfatter professorerne Marina Artuso og Steven Blusk og adjunkt Matthew Rudolph. Gruppen er i øjeblikket ved at bygge et apparat på campus kaldet Upstream Tracker (UT), bliver sendt til og installeret på CERN næste år som en del af en større LHCb-opgradering.

"UT vil forbedre LHCb markant, som er sammensat af omkring 10 forskellige underdetektorer. Jeg håber, at UT vil føre til flere opdagelser, " siger Skwarnicki, tilføjer, at Artuso og Stone er UT-projektets leder og stedfortræder, henholdsvis.

Skwarnicki er begejstret for LHCb, fordi det hjælper med at forklare, hvordan de mindste bestanddele af stof opfører sig. Hans seneste opdagelse, for eksempel, beviser, at pentaquarks er bygget på samme måde som protoner og neutroner, som er bundet sammen i et atoms kerne.

"Pentaquarks spiller muligvis ikke en væsentlig rolle i den sag, vi er lavet af, " han siger, "men deres eksistens kan i væsentlig grad påvirke vores modeller af stoffet fundet i andre dele af universet, såsom neutronstjerner."