CMS Collaboration observerer nye helt tunge kvarkstrukturer

I over et årti har CMS Collaboration, et stort team af forskere baseret på forskellige institutter verden over, analyseret data indsamlet på Compact Muon Solenoid, en partikeldetektor til almen brug på CERNs Large Hadron Collider (LHC). Dette omfattende internationale videnskabelige samarbejde har forsøgt at observere forskellige undvigende fysiske fænomener, herunder eksotiske partikler og mørkt stof-kandidater.

I et nyligt papir, offentliggjort i Physical Review Letters , rapporterede CMS Collaboration om tre eksotiske helt tunge kvarkstrukturer. Disse strukturer, som ser ud til at være en del af en fælles familie, kunne åbne nye interessante muligheder for partikelfysisk forskning.

"Stort set alle de ting, vi oplever i vores daglige liv, består af tre partikler:elektroner, protoner og neutroner," sagde prof. Kai Yi ved Nanjing Normal University og Tsinghua University, medforfatter af papiret, til Phys.org . "Elektroner er, så vidt vi ved, fundamentale, men de to andre består af tripletter af ting, der kaldes kvarker. Kvarkmodellen af ​​partikler blev foreslået i 1964, og i begyndelsen af ​​1970'erne var der overbevisende beviser for dens rigtighed."

Modellen introduceret i 1964 beskriver kvarker som tætbundne partikler, så stærkt forbundne, at de ikke kan eksistere alene og i stedet kun observeres som bundne kvarktripletter (qqq) eller kvark-antikvark (qq ^- ) dubletter. Fysikere har identificeret et stort antal af disse tæt forbundne kvarksystemer, også kendt som "hadroner."

"Der er et stort antal af disse kvarksystemer, men bortset fra protonen og neutronen har de kun en flygtig eksistens," forklarede prof. Yi. "Kvarkteorien fra 1964 havde et smuthul, at måske, bare måske, kunne kvartetter og kvintetter af kvarker også danne partikler, som omtales som 'eksotiske' hadroner. Fysikere legede med denne mulighed i årtier, men det var en slags udkant. aktivitet."

I lang tid syntes observation af eksotiske hadroner at være et udfordrende og uhåndgribeligt forskningsmål. En grund til dette er, at tilgængelige eksperimentelle værktøjer kun tillod fysikere at søge efter eksotiske systemer, der er fuldt sammensat af lette (u, d, s) kvarker, som er svære at skelne fra normale hadroner.

"Efterhånden som mere kraftfulde partikelkollidere blev tilgængelige, kom systemer, der inkorporerede tungere (c, b) kvarker, bedre og bedre ud - og jo tungere kvarken, og jo flere der er, desto lettere blev systemet at forstå," sagde prof. Yi. "En enkelt charme (c) kvark har en masse omkring halvanden gange en protons masse, og en bund (b) kvark er omkring fem gange tungere end en proton, hvorimod individuelle u- og d-kvarker er mindre end omkring 0,5 % af massen af ​​en proton."

I 2003 udløste et papir fra Belle Collaboration i Japan ny interesse for eksotiske systemer ved at afsløre X(3872), som blev foreslået som en mulig cc ^- qq ^- system (dvs. et system, der indeholder to tunge kvarker). Dette banede vejen for nye undersøgelser, der introducerede andre eksotiske hadron-kandidater indeholdende charme og endda bundkvarker, hvilket antyder eksistensen af ​​tetra- og penta-kvarksystemer.

På trods af disse bestræbelser forbliver den interne struktur af eksotiske hadroner et mysterium, da rapporterede systemer inkluderer lette kvarker og derfor i sagens natur er svære at modellere. Observation af systemer, der udelukkende består af tunge kvarker, kunne således åbne et nyt vindue til eksotiske strukturer, hvilket giver fysikere mulighed for bedre at forstå de stærke interaktioner mellem kvarker.

"Problemet med tunge kvarker er, at de er svære at lave," sagde prof. Yi. "Et skridt i denne retning er at finde systemer, hvor u- eller d-kvarker erstattes af s-kvarken. Selvom den stadig betragtes som en let kvark, er s-kvarken omkring 40 gange massen af ​​en u-kvark. I 2009 blev dette opnået med opdagelsen af Y(4140), nu kaldet chi_c(4140), som er en kandidat til en cc ^- ss ^- tetra-quark (dvs. den første eksotiske kandidat uden nogen af ​​de meget lette (u, d) kvarker)."

Opdagelsen af ​​chi_c(4140) tilskyndede flere forskerhold til at søge strukturer bestående fuldt ud af c- og d-kvarker. Efter at eksistensen af ​​dette system blev bekræftet, begyndte CMS også at søge efter systemer, der henfalder til par af J/psi-partikler eller par af Upsilon-partikler.

"J/psi er cc ^- bundet tilstand, Upsilon a bb ^- tilstand, og dermed ville noget, der henfalder i disse partikelpar, være en slående kandidat til en helt tung tetra-kvark," sagde prof. Yi. "Ved at bruge data indsamlet i 2011 og 2012 som en del af LHC Run I, fandt CMS et tip. af to J/psi-J/psi-strukturer, men der var ikke nok data til at fremsætte et overbevisende krav på det tidspunkt."

I 2019 genoptog CMS-samarbejdet sin søgen efter helt tunge kvarksystemer, der henfalder til par af J/psi- eller Upsilon-partikler, denne gang ved hjælp af data indsamlet på CERNs LHC mellem 2016 og 2018 (Kørsel II). Alligevel blev den første af disse partikler, døbt X(6900), i sidste ende observeret af en anden forskningsindsats på CERN, nemlig LHCb-eksperimentet.

"LHCb-eksperimentet var det første ud af porten med deres rapport om X(6900), der faldt til J/psi-J/psi i 2020," sagde prof. Yi. "Alligevel fortsatte CMS deres arbejde, og vi blev i sidste ende belønnet ved at identificere tre J/psi-J/psi-strukturer:bekræftelse af X(6900) og rapportering af to nye, døbt X(6600) og X(7100)."

Som en del af denne seneste undersøgelse søgte CMS-teamet specifikt efter par af J/Psi mesoner. Disse partikler er en kraftfuld sonde til helt tunge kvarksystemer, da de tydeligt kan identificeres i LHC-kollideren, hvor miljøet er komplekst og præget af højintensive p-p-kollisioner.

"Til denne undersøgelse designede analyseteamet en søgestrategi i Run II baseret på Run I-information uden egentlig at se på dataene. Denne tilgang, kaldet en 'blind' analyse, er meget effektiv til at undgå potentielle skævheder, såsom at snyde sig selv til tilsyneladende at finde, hvad man tror, ​​man skal eller ønsker at finde. De tre strukturer sprang ud, efter at de nye data endelig blev afblændet," forklarede prof. Yi.

Ved at bruge denne blinde analysestrategi var prof. Yi og hans CMS-samarbejdspartnere i stand til at bekræfte eksistensen af ​​den struktur, der tidligere blev opdaget af LHCb-samarbejdet, samtidig med at de afslørede to helt nye strukturer. Disse tre strukturer ser ud til at være en del af den samme familie af helt tunge kvarksystemer.

"Selvom det måske ikke er den eneste mulige fortolkning, beskriver en model, hvor de tre strukturer kvantemekanisk interfererer med hinanden, CMS-data meget godt," sagde prof. Yi. "Dette kræver, at alle tre har de samme kvanteegenskaber og antyder yderligere, at disse tilstande er en familie af ophidsede tetrakvarker."

De tre helt tunge kvarkstrukturer rapporteret af CMS-samarbejdet giver vigtige nye spor om eksotiske hadroners natur og interne struktur. Specifikt udpeger de et nyt regime, som fysikere kan anvende teorien om stærke interaktioner på:regimet for "kvantekromodynamik."

"CMS forbereder sig nu på at forbedre deres målinger af egenskaberne af disse stater," tilføjede Prof. Yi. "De nye data præsenterer en ny spændende mulighed, nemlig at søge efter mulige eksotiske tilstande, der udelukkende består af de endnu tungere bundkvarker."

Flere oplysninger: A. Hayrapetyan et al, New Structures in the J/ψJ/ψ Mass Spectrum in Proton-Proton Collisions at s=13 TeV, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.111901

Journaloplysninger: Physical Review Letters

© 2024 Science X Network