Hvor mange nye partikler er der blevet opdaget ved Large Hadron Collider?
Den mest berømte opdagelse, selvfølgelig,
Hvad er hadroner?
Så hvad er disse 59 nye hadroner?Lad os starte i starten: hadroner er ikke elementære partikler - det har fysikere kendt siden 1964, da Murray Gell-Mann og George Zweig uafhængigt foreslog det, der i dag er kendt som kvarkmodellen. Hun præsenterede hadroner som sammensatte partikler, der består af nye typer elementære partikler - kvarker.
Quarks fødes fri, men de findes kun bundet ...
Frank Wilczek
Nobelpristageren i fysik for opdagelsen af asymptotisk frihed i teorien om stærke interaktioner, 2004
Udtrykket "hadron" i sig selv kommer fra græsk“Hadros” er stærk og afspejler hadrons egenskab for at deltage i stærke interaktioner. Disse er korte rækkevidde grundlæggende interaktioner, der binder kvarker inde i nukleoner og andre hadroner. Styrken ved denne interaktion er langt bedre end styrken i de andre tre grundlæggende interaktioner - elektromagnetisk, svag og tyngdekraft.
En kort oversigt over de forskellige familier af elementære partikler og sammensatte partikler og teorier, der beskriver deres interaktioner. Elementære partikler til venstre er fermioner, til højre er bosoner.
Hadroner er beslægtede systemer med kvarker og antikvarker. Der er to typer hadroner - baryoner og mesoner.
- Baryons (baryon ladning B = +1) — partikler bestående af tre kvarker (qqq) og er fermioner (J = 1/2, 3/2, ...). Baryoner omfatter for eksempel protonen og neutronen.
- Antibaryoner (B = -1) består af tre antikvarker (). Antiproton og antineutron tilhører gruppen af antibaryoner.
- Mesoner (B = 0), der består af en kvark og en antikvark (q), indtager en mellemposition. Mesoner har et heltal spin og er bosoner (J = 0, 1, 2, ...)
Til gengæld er kvarker fundamentale partikler i standardmodellen. De har en elektrisk ladning, der er et multiplum af e/3 og ikke kan observeres i fri tilstand.
Professor Murray Gell-Mann ved ATLAS Cave i 2012. Gell-Mann foreslog kvarkmodellen og navnet "kvark" i 1964 og modtog Nobelprisen i fysik i 1969. (Billede: CERN)
Hvordan vises nye hadroner?
Men ligesom forskere stadigopdage nye isotoper 150 år efter, at Mendeleev skabte det periodiske system, er forskning i de mulige sammensatte tilstande dannet af kvarker stadig et aktivt område af partikelfysik.
Årsagen til dette ligger i kvantekromodynamik.eller QCD, en teori, der beskriver den stærke interaktion, der holder kvarker inde i hadroner. Denne interaktion har flere interessante træk, herunder det faktum, at interaktionens styrke ikke mindskes med afstanden. Dette fører til en ejendom, der forbyder eksistensen af gratis kvarker uden for hadroner - farvebegrænsning. Sådanne træk gør denne teori meget vanskelig fra et matematisk synspunkt.
Faktisk er farvebegrænsning i sig selv indtil nu ikke blevet bevist analytisk. Og videnskabsmænd har stadig ingen mulighed for præcist at forudsige, hvilke kombinationer af kvarker der kan danne hadroner.
Hvad ved vi om hadroner?
Allerede tilbage i 1960'erne var der mere end 100 kendtetyper af hadroner. De blev opdaget i eksperimenter med acceleratorer og i eksperimenter med kosmiske stråler. Kvarkmodellen gjorde det muligt for fysikere at beskrive hele "zoo" som forskellige sammensatte tilstande af blot tre forskellige kvarker: op, ned og mærkelig. Alle kendte hadroner kan beskrives enten som bestående af tre kvarker (dannende baryoner) eller som kvark-antikvarkepar (dannende mesoner). Men teorien forudsagde også andre mulige arrangementer for kvarker.
Allerede i Gell-Manns originale papir om kvarkerI 1964 blev idéen om partikler indeholdende mere end tre kvarker anset for mulig. Forskere i dag ved, at der findes sådanne partikler. Og alligevel tog det flere årtier at eksperimentelt bekræfte de første fire- og fem-kvark hadroner eller tetraquarks og pentaquarks.
En komplet liste over 59 nye hadroner opdaget ved LHC er vist på billedet nedenfor.
En komplet liste over nye hadroner opdaget ved LHC,opdelt efter opdagelsesår (vandret akse) og partikelmasse (lodret akse). Farver og former angiver kvarkindholdet i disse tilstande. Kredit: LHCb / CERN.
Nogle af disse partikler er pentaquarks, nogle er tetraquarks, og nogle er nye (ophidsede) tilstande med højere energi baryoner og mesoner.
- Pentaquarks er en gruppe af sammensatte subatomarepartikler bestående af fem kvarker. Deres eksistens blev bevist ved hjælp af Large Hadron Collider i juli 2015. De er baryoner, hadroner, fermioner, resonanser. De giver anledning til en forskningsretning inden for hadronspektroskopi - pentaquarks fysik.
- En tetraquark er en elementarpartikel, en hadron, bestående af to kvarker og to antikvarker. Spin af en tetraquark kan kun være heltal, så kun mesoner kan have en tetraquark struktur.
- Baryoner er en familie af elementarpartikler:stærkt interagerende fermioner bestående af tre kvarker. I 2015 blev eksistensen af lignende partikler af 5 kvarker, kaldet pentaquarks, også bevist. De vigtigste baryoner omfatter (efterhånden som massen øges): proton, neutron, lambda baryon, sigma hyperon, xy hyperon, omega hyperon. Massen af en omega hyperon (3278 elektronmasser) er næsten 1,8 gange massen af en proton.
- Meson er en hadron med nul værdibaryon nummer. I standardmodellen er mesoner sammensatte elementære partikler, der består af et lige antal kvarker og antikvarker. Mesoner inkluderer pioner (π-mesoner), kaoner (K-mesoner) og andre, tungere mesoner.
Mesoner blev oprindeligt forudsagt som partikler, der bærer den stærke kraft og er ansvarlige for at begrænse protoner og neutroner i atomkerner.
Alle mesoner er ustabile.På grund af tilstedeværelsen af bindingsenergi er massen af en meson mange gange større end summen af masserne af dens konstituerende kvarker. Baryoner udgør sammen med mesoner (sidstnævnte bestående af et lige antal kvarker) en gruppe elementarpartikler, der deltager i den stærke vekselvirkning og kaldes hadroner.
Opdagelsen af disse nye partikler sammen med målingerderes egenskaber giver stadig vigtige oplysninger til at teste grænserne for kvarkmodellen. Til gengæld giver dette forskere mulighed for at uddybe deres forståelse af den stærke kraft, teste teoretiske forudsigelser og finjustere modeller. Det er værd at bemærke, at dette er særligt vigtigt for forskning udført på LHC. Faktum er, at den stærke interaktion er ansvarlig for det meste af det, der sker, når hadroner kolliderer. Jo bedre videnskabsmænd forstår den stærke kraft, jo mere nøjagtige vil simuleringer af disse kollisioner være. Som følge heraf vil chancerne for at se små afvigelser fra forventningerne, der kan antyde mulige nye fysiske fænomener, stige.
Den første hadron opdaget ved LHC (LHC), χb (3P), blev opdaget af ATLAS, og den seneste inkluderer en ny ophidset smuk mærkelig baryon observeret af CMS og fire tetraquarks opdaget af LHCb.
Læs mere
Fysikere har skabt en analog til et sort hul og bekræftet Hawkings teori. Hvor det fører hen?
Abort og videnskab: hvad vil der ske med de børn, der føder
En atomraketmotor bygges til flyvninger til Mars. Hvordan er det farligt?
Standardmodellen er en teoretisk konstruktion ielementære partiklers fysik, som beskriver de elektromagnetiske, svage og stærke interaktioner mellem alle elementære partikler. Den moderne formulering blev afsluttet i midten af 70'erne efter eksperimentel bekræftelse af eksistensen af kvarker.
En fermion er en partikel eller kvasipartikel med et halvt heltals spin-værdi, den iboende vinkelmomentum af elementarpartikler.