كم عدد الجسيمات الجديدة التي تم اكتشافها في مصادم الهادرونات الكبير؟
والاكتشاف الأكثر شهرة بالطبع هو
ما هي الهادرونات؟
إذن ما هي هذه الهادرونات الـ 59 الجديدة؟لنبدأ من البداية: الهادرونات ليست جسيمات أولية - لقد عرف الفيزيائيون هذا منذ عام 1964 ، عندما اقترح موراي جيل مان وجورج زويغ بشكل مستقل ما يعرف اليوم بنموذج الكوارك. قدمت الهادرونات كجسيمات مركبة ، تتكون من أنواع جديدة من الجسيمات الأولية - الكواركات.
تولد الكواركات حرة ، لكنها وجدت ملزمة فقط ...
فرانك ويلتشيك
حائز على جائزة نوبل في الفيزياء لاكتشافه الحرية المقاربة في نظرية التفاعلات القوية ، 2004
مصطلح "هادرون" نفسه يأتي من اليونانية"هادروس" قوية وتعكس خاصية الهادرونات للمشاركة في تفاعلات قوية. هذه تفاعلات أساسية قصيرة المدى تربط الكواركات داخل النوكليونات والهادرونات الأخرى. إن قوة هذا التفاعل تفوق بكثير قوة التفاعلات الأساسية الثلاثة الأخرى - الكهرومغناطيسية والضعيفة والجاذبية.
لمحة موجزة عن العائلات المختلفة للجسيمات الأولية والمركبة والنظريات التي تصف تفاعلاتها. الجسيمات الأولية الموجودة على اليسار عبارة عن فرميونات ، وعلى اليمين بوزونات.
الهدرونات هي أنظمة ذات صلة من الكواركات والكواركات المضادة. هناك نوعان من الهادرونات - الباريونات والميزونات.
- الباريونات (شحنة الباريون B = +1) — جسيمات تتكون من ثلاثة كواركات (qqq) وتكون فرميونات (J = 1/2، 3/2، ...). وتشمل الباريونات، على سبيل المثال، البروتون والنيوترون.
- تتكون الباريونات المضادة (B = -1) من ثلاثة كواركات مضادة (). ينتمي البروتون المضاد ومضاد النيوترون إلى مجموعة الباريونات المضادة.
- الميزونات (ب = 0) ، تتكون من كوارك ومضاد كوارك (q) ، تحتل موقعًا وسيطًا. الميزونات لها عدد صحيح تدور وهي بوزونات (J = 0 ، 1 ، 2 ، ...)
وفي المقابل، الكواركات هي جسيمات أساسية في النموذج القياسي. لديهم شحنة كهربائية من مضاعفات e/3 ولا يمكن ملاحظتها في الحالة الحرة.
البروفيسور موراي جيل مان في كهف أطلس عام 2012. اقترح جيل مان نموذج الكوارك واسمه "كوارك" عام 1964 وحصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1969. (الصورة: سيرن)
كيف تظهر الهادرونات الجديدة؟
ولكن مثلما لا يزال الباحثوناكتشف نظائر جديدة بعد مرور 150 عامًا على إنشاء مندليف للجدول الدوري، لا يزال البحث في الحالات المركبة المحتملة التي تشكلها الكواركات مجالًا نشطًا في فيزياء الجسيمات.
والسبب في ذلك يكمن في الديناميكا اللونية الكمومية.أو QCD ، وهي نظرية تصف التفاعل القوي الذي يربط الكواركات معًا داخل الهادرونات. يحتوي هذا التفاعل على العديد من الميزات المثيرة للاهتمام ، بما في ذلك حقيقة أن قوة التفاعل لا تتضاءل مع المسافة. يؤدي هذا إلى خاصية تمنع وجود الكواركات الحرة خارج الهادرونات - حدود اللون. هذه الميزات تجعل هذه النظرية صعبة للغاية من وجهة نظر رياضية.
في الواقع، حتى الآن، لم يتم إثبات محدودية اللون من الناحية التحليلية. وما زال العلماء لا يملكون طريقة للتنبؤ بدقة بمجموعات الكواركات التي قد تشكل الهادرونات.
ماذا نعرف عن الهادرونات؟
وبالعودة إلى الستينيات، كان هناك بالفعل أكثر من 100 نوع معروفأنواع الهادرونات. تم اكتشافها في تجارب المسرعات وفي تجارب الأشعة الكونية. سمح نموذج الكوارك للفيزيائيين بوصف "حديقة الحيوان" بأكملها كحالات مركبة مختلفة من ثلاثة كواركات مختلفة فقط: العلوي والسفلي والغريب. يمكن وصف جميع الهادرونات المعروفة بأنها تتكون من ثلاثة كواركات (تشكل الباريونات) أو كأزواج كوارك وكوارك مضاد (تشكل الميزونات). لكن النظرية تنبأت أيضًا بترتيبات محتملة أخرى للكواركات.
بالفعل في ورقة جيل مان الأصلية عن الكواركاتفي عام 1964 ، اعتبرت فكرة وجود جسيمات تحتوي على أكثر من ثلاثة كواركات ممكنة. يعرف العلماء اليوم أن مثل هذه الجسيمات موجودة بالفعل. ومع ذلك ، فقد استغرق الأمر عدة عقود للتأكيد التجريبي لأول أربعة وخمسة كوارك الهادرونات أو رباعي الكواركات وخماسيات البنتاكواركات.
قائمة كاملة من 59 هادرون جديد تم اكتشافه في LHC موضحة في الصورة أدناه.
قائمة كاملة بالهادرونات الجديدة المكتشفة في المصادم LHC ،مصنفة حسب سنة الاكتشاف (المحور الأفقي) وكتلة الجسيمات (المحور الرأسي). تشير الألوان والأشكال إلى محتوى الكوارك في هذه الحالات. الائتمان: LHCb / CERN.
بعض هذه الجسيمات عبارة عن خماسيات ، وبعضها رباعي الكواركات ، وبعضها حالات جديدة (متحمسة) لباريونات وميزونات ذات طاقة أعلى.
- الخماسي كواركات هي مجموعة من المركبات دون الذريةجسيمات تتكون من خمسة كواركات. وقد تم إثبات وجودها باستخدام مصادم الهادرونات الكبير في يوليو 2015. وهي الباريونات والهادرونات والفرميونات والرنينات. إنها تؤدي إلى اتجاه البحث في التحليل الطيفي للهادرونات - فيزياء الخماسي كواركات.
- رباعي الكوارك هو جسيم أولي، هادرون، يتكون من كواركين وكواركين مضادين. يمكن أن يكون دوران رباعي الكوارك عددًا صحيحًا فقط، لذا فإن الميزونات فقط هي التي يمكن أن تمتلك بنية رباعي كوارك.
- الباريونات هي عائلة من الجسيمات الأولية:الفرميونات شديدة التفاعل وتتكون من ثلاثة كواركات. وفي عام 2015، تم إثبات وجود جسيمات مماثلة مكونة من 5 كواركات، تسمى بنتاكواركات. تشمل الباريونات الرئيسية (كلما زادت الكتلة): البروتون، النيوترون، لامدا باريون، سيجما هايبرون، زي هايبرون، أوميجا هايبرون. تبلغ كتلة أوميغا هايبرون (3278 كتلة إلكترون) حوالي 1.8 مرة كتلة البروتون.
- الميزون هو هادرون بقيمة صفررقم الباريون. في النموذج القياسي ، الميزونات عبارة عن جسيمات أولية مركبة تتكون من عدد متساوٍ من الكواركات والكواركات المضادة. تشمل الميزونات البيونات (π-mesons) ، والكاون (K-mesons) والميزونات الأخرى الثقيلة.
تم التنبؤ في الأصل بوجود الميزونات كجسيمات تحمل القوة الشديدة وتكون مسؤولة عن حصر البروتونات والنيوترونات في النوى الذرية.
جميع الميزونات غير مستقرة.ونظرًا لوجود طاقة الربط، فإن كتلة الميزون أكبر بعدة مرات من مجموع كتل الكواركات المكونة له. تشكل الباريونات، مع الميزونات (الأخيرة تتكون من عدد زوجي من الكواركات)، مجموعة من الجسيمات الأولية المشاركة في التفاعل القوي وتسمى الهادرونات.
اكتشاف هذه الجسيمات الجديدة مع القياساتلا تزال خصائصها توفر معلومات مهمة لاختبار حدود نموذج الكوارك. وهذا بدوره يسمح للباحثين بتعميق فهمهم للقوة الشديدة، واختبار التنبؤات النظرية، وضبط النماذج. ومن الجدير بالذكر أن هذا مهم بشكل خاص للأبحاث التي أجريت في LHC. والحقيقة هي أن التفاعل القوي هو المسؤول عن معظم ما يحدث عندما تصطدم الهادرونات. كلما فهم العلماء القوة القوية بشكل أفضل، أصبحت عمليات المحاكاة لهذه الاصطدامات أكثر دقة. ونتيجة لذلك، ستزداد فرص رؤية انحرافات صغيرة عن التوقعات التي قد تشير إلى ظواهر فيزيائية جديدة محتملة.
تم اكتشاف أول هادرون في LHC (LHC) ، b (3P) ، بواسطة ATLAS ، وآخرها يتضمن باريون غريب جميل مثير تم رصده بواسطة CMS وأربعة رباعي رباعي اكتشف بواسطة LHCb.
قراءة المزيد
ابتكر الفيزيائيون نظيرًا للثقب الأسود وأكدوا نظرية هوكينغ. إلى أين تقود؟
الإجهاض والعلم: ماذا سيحدث للأطفال الذين سينجبون
يتم بناء محرك صاروخي نووي للرحلات الجوية إلى المريخ. كيف هي خطيرة؟
النموذج القياسي هو بناء نظري فيفيزياء الجسيمات الأولية ، والتي تصف التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية لجميع الجسيمات الأولية. اكتملت الصيغة الحديثة في منتصف السبعينيات بعد التأكيد التجريبي لوجود الكواركات.
الفرميون هو جسيم أو شبه جسيم له قيمة دوران نصف صحيحة، وهو الزخم الزاوي الجوهري للجسيمات الأولية.