Kolik nových částic bylo objeveno na Large Hadron Collider?
Nejslavnější objev, samozřejmě,
Co jsou hadrony?
Co je tedy těchto 59 nových hadronů?Začněme na začátku: hadrony nejsou elementární částice - fyzici to vědí od roku 1964, kdy Murray Gell-Mann a George Zweig nezávisle navrhli to, co je dnes známé jako model kvarku. Představila hadrony jako složené částice, skládající se z nových typů elementárních částic - kvarků.
Kvarky se rodí zdarma, ale nacházejí se pouze vázané ...
Frank Wilczek
Laureát Nobelovy ceny za fyziku za objev asymptotické svobody v teorii silných interakcí, 2004
Samotný termín „hadron“ pochází z řečtiny„Hadros“ je silný a odráží vlastnost hadronů účastnit se silných interakcí. Jedná se o základní interakce krátkého dosahu, které vážou kvarky uvnitř nukleonů a dalších hadronů. Síla této interakce je mnohem lepší než síla ostatních tří základních interakcí - elektromagnetické, slabé a gravitační.
Stručný přehled různých skupin elementárních a složených částic a teorie popisující jejich interakce. Elementární částice nalevo jsou fermiony, napravo bosony.
Hadrony jsou příbuzné systémy kvarků a antikvarků. Existují dva typy hadronů - baryony a mezony.
- Baryony (baryonový náboj B = +1) — částice sestávající ze tří kvarků (qqq) a jsou to fermiony (J = 1/2, 3/2, ...). Mezi baryony patří například proton a neutron.
- Antibaryony (B = -1) se skládají ze tří antikvarků (). Antiproton a antineutron patří do skupiny antibaryonů.
- Mezony (B = 0), skládající se z kvarku a antikvarku (q), zaujímají mezipolohu. Mezony mají celočíselný spin a jsou bosony (J = 0, 1, 2, ...)
Kvarky jsou zase základní částice ve standardním modelu. Mají elektrický náboj, který je násobkem e/3 a není pozorovatelný ve volném stavu.
Profesor Murray Gell-Mann v jeskyni ATLAS v roce 2012. Gell-Mann navrhl model kvarku a název „kvark“ v roce 1964 a v roce 1969 obdržel Nobelovu cenu za fyziku. (Obrázek: CERN)
Jak se objevují nové hadrony?
Ale stejně jako výzkumníci stáleObjevte nové izotopy 150 let poté, co Mendělejev vytvořil periodickou tabulku, výzkum možných složených stavů tvořených kvarky je stále aktivní oblastí částicové fyziky.
Důvodem je kvantová chromodynamika.nebo QCD, teorie popisující silnou interakci, která drží kvarky pohromadě uvnitř hadronů. Tato interakce má několik zajímavých funkcí, včetně skutečnosti, že síla interakce se vzdáleností nesnižuje. To vede k vlastnosti, která zakazuje existenci volných kvarků mimo hadrony - omezení barev. Díky těmto vlastnostem je tato teorie z matematického hlediska velmi obtížná.
Ve skutečnosti až dosud nebylo samotné omezení barvy analyticky prokázáno. A vědci stále nemají způsob, jak přesně předpovědět, jaké kombinace kvarků by mohly tvořit hadrony.
Co víme o hadronech?
Ještě v 60. letech 20. století jich bylo známo více než 100typy hadronů. Byly objeveny při pokusech na urychlovačích a při pokusech s kosmickým zářením. Kvarkový model umožnil fyzikům popsat celou „zoo“ jako různé složené stavy pouhých tří různých kvarků: nahoru, dolů a podivné. Všechny známé hadrony lze popsat buď jako složené ze tří kvarků (vytvářející baryony), nebo jako páry kvark-antikvark (vytvářející mezony). Teorie ale také předpovídala další možná uspořádání kvarků.
Již v původním příspěvku Gell-Manna o kvarkechV roce 1964 byla myšlenka částic obsahujících více než tři kvarky považována za možnou. Vědci dnes vědí, že takové částice existují. A přesto trvalo několik desetiletí, než se experimentálně potvrdily první čtyř- a pět kvarkové hadrony nebo tetrakvarky a pentakvarky.
Kompletní seznam 59 nových hadronů objevených na LHC je uveden na obrázku níže.
Kompletní seznam nových hadronů objevených na LHC,v členění podle roku objevu (vodorovná osa) a hmotnosti částic (svislá osa). Barvy a tvary označují obsah kvarku těchto stavů. Zápočet: LHCb / CERN.
Některé z těchto částic jsou pentakvarky, jiné tetrakvarky a některé nové (vzrušené) stavy baryonů a mezonů s vyšší energií.
- Pentakvarky jsou skupinou složených subatomárníchčástice složené z pěti kvarků. Jejich existence byla prokázána pomocí Large Hadron Collider v červenci 2015. Jsou to baryony, hadrony, fermiony, rezonance. Z nich vychází směr výzkumu hadronové spektroskopie – fyzika pentakvarků.
- Tetrakvark je elementární částice, hadron, skládající se ze dvou kvarků a dvou antikvarků. Spin tetrakvarku může být pouze celý, takže pouze mezony mohou mít strukturu tetrakvarku.
- Baryony jsou rodina elementárních částic:silně interagující fermiony sestávající ze tří kvarků. V roce 2015 byla také prokázána existence podobných částic 5 kvarků, nazývaných pentakvarky. Mezi hlavní baryony patří (s rostoucí hmotností): proton, neutron, lambda baryon, sigma hyperon, xy hyperon, omega hyperon. Hmotnost hyperonu omega (3278 hmotností elektronů) je téměř 1,8krát větší než hmotnost protonu.
- Meson je hadron s nulovou hodnotoubaryonové číslo. Ve standardním modelu jsou mezony složené elementární částice složené ze stejného počtu kvarků a antikvarků. Mezony zahrnují piony (π-mezony), kaony (K-mezony) a další, těžší mezony.
Mezony byly původně předpovězeny jako částice, které nesou silnou sílu a jsou zodpovědné za omezení protonů a neutronů v atomových jádrech.
Všechny mezony jsou nestabilní.V důsledku přítomnosti vazebné energie je hmotnost mezonu mnohonásobně větší než součet hmotností jeho kvarků. Baryony spolu s mezony (poslední sestávající ze sudého počtu kvarků) tvoří skupinu elementárních částic účastnících se silné interakce a nazývaných hadrony.
Objev těchto nových částic spolu s měřenímjejich vlastnosti stále poskytují důležité informace pro testování hranic kvarkového modelu. To zase umožňuje výzkumníkům prohloubit své chápání silné síly, testovat teoretické předpovědi a dolaďovat modely. Stojí za zmínku, že je to důležité zejména pro výzkum prováděný na LHC. Faktem je, že silná interakce je zodpovědná za většinu toho, co se stane, když se hadrony srazí. Čím lépe vědci porozumí silné síle, tím přesnější simulace těchto srážek budou. V důsledku toho se zvýší šance na malé odchylky od očekávání, které mohou naznačovat možné nové fyzikální jevy.
První hadron objevený na LHC (LHC), χb (3P), byl objeven ATLASem a mezi nejnovější patří nový vzrušený krásný podivný baryon pozorovaný CMS a čtyři tetrakvarky objevené LHCb.
Přečtěte si více
Fyzici vytvořili analogii černé díry a potvrdili Hawkingovu teorii. Kam to vede?
Potrat a věda: co se stane s dětmi, které porodí
Pro lety na Mars se staví jaderný raketový motor. Jak je to nebezpečné?
Standardní model je teoretická konstrukce vfyzika elementárních částic, která popisuje elektromagnetické, slabé a silné interakce všech elementárních částic. Moderní formulace byla dokončena v polovině 70. let po experimentálním potvrzení existence kvarků.
Fermion je částice nebo kvazičástice s poloviční celočíselnou hodnotou spinu, což je vlastní moment hybnosti elementárních částic.