CERN:fysikere rapporterer opdagelsen af ​​enestående ny partikel

LHCb-samarbejdet på CERN har annonceret opdagelsen af ​​en ny eksotisk partikel:en såkaldt "tetraquark". Papiret af mere end 800 forfattere er endnu ikke blevet evalueret af andre forskere i en proces kaldet "peer review", men er blevet præsenteret på et seminar. Det opfylder også den sædvanlige statistiske tærskel for at kræve opdagelsen af ​​en ny partikel.

Fundet markerer et stort gennembrud i en søgning på næsten 20 år, udført i partikelfysiklaboratorier over hele verden.

For at forstå, hvad en tetraquark er, og hvorfor opdagelsen er vigtig, vi skal gå tilbage i tiden til 1964, da partikelfysik var midt i en revolution. Beatlemania var lige eksploderet, Vietnamkrigen rasede, og to unge radioastronomer i New Jersey havde netop opdaget det stærkeste bevis nogensinde for Big Bang -teorien.

På den anden side af USA, ved California Institute of Technology, og på den anden side af Atlanten, på CERN i Schweiz, to partikelfysikere udgav to uafhængige artikler om det samme emne. Begge handlede om, hvordan man får mening om det enorme antal nye partikler, der var blevet opdaget i løbet af de sidste to årtier.

Mange fysikere kæmpede for at acceptere, at så mange elementarpartikler kunne eksistere i universet, i det, der var blevet kendt som "partikel zoo". George Zweig fra Caltech og Murray Gell-Mann fra CERN havde ramt den samme løsning. Hvad hvis alle disse forskellige partikler virkelig var lavet af mindre, ukendte byggesten, på samme måde som de hundrede-ulige elementer i det periodiske system er lavet af protoner, neutroner og elektroner? Zweig kaldte disse byggesten "esser", mens Gell-Mann valgte det udtryk, som vi stadig bruger i dag:"kvarker".

Vi ved nu, at der er seks forskellige slags kvarker - op, ned, charme, mærkelig, top, bund. Disse partikler har også respektive antimaterieledsagere med modsat ladning, som kan binde sammen efter simple regler baseret på symmetrier. En partikel fremstillet af en kvark og en antikværk kaldes en "meson"; mens tre kvarker bundet sammen danner "baryoner". De velkendte protoner og neutroner, der udgør atomkernen, er eksempler på baryoner.

Dette klassifikationsskema beskrev smukt partikel -zoo i 1960'erne. Imidlertid, selv i sit originale papir, Gell-Mann indså, at andre kombinationer af kvarker kunne være mulige. For eksempel, to kvarker og to antikvarer kan hænge sammen for at danne en "tetraquark", mens fire kvarker og en antikvark ville lave en "pentaquark".

Eksotiske partikler

Spol frem til 2003, da Belle -eksperimentet på KEK -laboratoriet i Japan rapporterede observation af en ny meson, kaldet X (3872), som viste "eksotiske" egenskaber helt anderledes end almindelige mesoner.

I de følgende år, flere nye eksotiske partikler blev opdaget, og fysikere begyndte at indse, at de fleste af disse partikler kun kunne forklares med succes, hvis de var tetraquarks lavet af fire kvarker i stedet for to. Derefter, i 2015, LHCb -eksperimentet på CERN opdagede de første pentaquark -partikler lavet af fem kvarker.

Alle tetraquarks og pentaquarks, der hidtil er blevet opdaget, indeholder to charmequarks, som er relativt tunge, og to eller tre lette kvarker - op, ned eller mærkeligt. Denne særlige konfiguration er faktisk den letteste at opdage i eksperimenter.

Men den seneste tetraquark opdaget af LHCb, som er blevet kaldt X (6900), består af fire charmekvarker. Produceret i protonkollisioner med høj energi ved Large Hadron Collider, den nye tetraquark blev observeret via dets henfald i par af velkendte partikler kaldet J/psi mesoner, hver lavet af en charmekvark og en charme -antik. Dette gør det særligt interessant, da det ikke kun består af tunge kvarker, men også fire kvarker af samme slags - hvilket gør det til et unikt eksemplar at teste vores forståelse for, hvordan kvarker binder sammen.

For nu, der er to forskellige modeller, der kan forklare, hvordan kvarker binder sammen:det kan være, at de er stærkt bundet, skabe det, vi omtaler som en kompakt tetraquark. Eller det kan være, at kvarkerne er arrangeret til at danne to mesoner, som sidder løst sammen i et "molekyle".

Almindelige molekyler er fremstillet af atomer bundet sammen af ​​den elektromagnetiske kraft, som virker mellem positivt ladede kerner og negativt ladede elektroner. Men kvarkerne i en meson eller baryon er forbundet via en anden kraft, den "stærke kraft". Det er virkelig fascinerende, at atomer og kvarker, efter meget forskellige regler, kan begge danne meget lignende komplekse objekter.

Den nye partikel ser ud til at være mest i overensstemmelse med at være en kompakt tetraquark frem for et to-meson-molekyle, hvilket var den bedste forklaring på tidligere opdagelser. Det gør det usædvanligt, da det vil give fysikere mulighed for at studere denne nye bindingsmekanisme i detaljer. Det indebærer også eksistensen af ​​andre tunge kompakte tetraquarks.

Vindue ind i mikrokosmos

Den stærke kraft, der virker mellem kvarker, adlyder meget komplicerede regler - så kompliceret, faktisk, det er normalt den eneste måde at beregne dens virkninger på ved at bruge tilnærmelser og supercomputere.

X (6900) unikke karakter vil hjælpe med at forstå, hvordan man kan forbedre nøjagtigheden af ​​disse tilnærmelser, så vi i fremtiden vil kunne beskrive andre, mere komplekse mekanismer i fysik, der ikke er inden for vores rækkevidde i dag.

Siden opdagelsen af ​​X (3872), undersøgelsen af ​​eksotiske partikler har blomstret, med hundredvis af teoretiske og eksperimentelle fysikere, der arbejder sammen for at kaste lys over dette spændende nye felt. Opdagelsen af ​​den nye tetraquark er et stort spring fremad, og er en indikation på, at der stadig er mange nye eksotiske partikler derude, venter på, at nogen afslører dem.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.