Wie viele neue Partikel wurden am Large Hadron Collider entdeckt?
Die berühmteste Entdeckung ist natürlich
Was sind Hadronen?
Was sind diese 59 neuen Hadronen?Beginnen wir am Anfang: Hadronen sind keine Elementarteilchen - Physiker wissen dies seit 1964, als Murray Gell-Mann und George Zweig unabhängig voneinander das heutige Quarkmodell vorschlugen. Sie präsentierte Hadronen als zusammengesetzte Teilchen, die aus neuen Arten von Elementarteilchen bestehen - Quarks.
Quarks werden frei geboren, aber sie werden nur gebunden gefunden ...
Frank Wilczek
Nobelpreisträger für Physik für die Entdeckung der asymptotischen Freiheit in der Theorie starker Wechselwirkungen, 2004
Der Begriff "Hadron" selbst stammt aus dem Griechischen„Hadros“ ist stark und spiegelt die Eigenschaft von Hadronen wider, an starken Wechselwirkungen teilzunehmen. Dies sind kurzreichweitige fundamentale Wechselwirkungen, die Quarks in Nukleonen und anderen Hadronen binden. Die Stärke dieser Wechselwirkung ist der Stärke der anderen drei grundlegenden Wechselwirkungen - elektromagnetisch, schwach und gravitativ - weit überlegen.
Ein kurzer Überblick über die verschiedenen Familien von Elementar- und Verbindungsteilchen und Theorien, die ihre Wechselwirkungen beschreiben. Elementarteilchen links sind Fermionen, rechts Bosonen.
Hadronen sind verwandte Systeme von Quarks und Antiquarks. Es gibt zwei Arten von Hadronen - Baryonen und Mesonen.
- Baryonen (Baryonenladung B = +1) — Teilchen bestehend aus drei Quarks (qqq) und Fermionen (J = 1/2, 3/2, ...). Zu den Baryonen zählen beispielsweise das Proton und das Neutron.
- Antibaryonen (B = -1) bestehen aus drei Antiquarks (). Antiproton und Antineutron gehören zur Gruppe der Antibaryonen.
- Mesonen (B = 0), bestehend aus einem Quark und einem Antiquark (q), nehmen eine Zwischenposition ein. Mesonen haben einen ganzzahligen Spin und sind Bosonen (J = 0, 1, 2, ...)
Quarks wiederum sind fundamentale Teilchen im Standardmodell. Sie haben eine elektrische Ladung, die ein Vielfaches von e/3 beträgt und im freien Zustand nicht beobachtbar ist.
Professor Murray Gell-Mann an der ATLAS-Höhle im Jahr 2012. Gell-Mann schlug 1964 das Quarkmodell und den Namen "Quark" vor und gewann 1969 den Nobelpreis für Physik. (Bild: CERN)
Wie erscheinen neue Hadronen?
Aber genauso wie Forscher immer nochEntdecken Sie neue Isotope 150 Jahre nach der Erstellung des Periodensystems durch Mendelejew ist die Erforschung der möglichen Verbindungszustände von Quarks immer noch ein aktives Gebiet der Teilchenphysik.
Der Grund dafür liegt in der Quantenchromodynamik.oder QCD, eine Theorie, die die starke Kraft beschreibt, die Quarks in Hadronen zusammenhält. Diese Interaktion weist mehrere interessante Merkmale auf, einschließlich der Tatsache, dass die Stärke der Interaktion mit der Entfernung nicht abnimmt. Dies führt zu einer Eigenschaft, die die Existenz von freien Quarks außerhalb von Hadronen verbietet - Farbbegrenzung. Solche Merkmale machen diese Theorie aus mathematischer Sicht sehr schwierig.
Tatsächlich konnte die Farblimitierung selbst bisher nicht analytisch nachgewiesen werden. Und Wissenschaftler haben immer noch keine Möglichkeit, genau vorherzusagen, welche Kombinationen von Quarks Hadronen bilden könnten.
Was wissen wir über Hadronen?
Bereits in den 1960er-Jahren waren über 100 davon bekanntArten von Hadronen. Sie wurden bei Experimenten an Beschleunigern und bei Experimenten mit kosmischer Strahlung entdeckt. Das Quark-Modell ermöglichte es Physikern, den gesamten „Zoo“ als verschiedene zusammengesetzte Zustände von nur drei verschiedenen Quarks zu beschreiben: oben, unten und seltsam. Alle bekannten Hadronen können entweder als bestehend aus drei Quarks (die Baryonen bilden) oder als Quark-Antiquark-Paare (die Mesonen bilden) beschrieben werden. Die Theorie sagte aber auch andere mögliche Anordnungen für Quarks voraus.
Bereits in Gell-Manns Originalartikel über Quarks1964 wurde die Idee von Partikeln mit mehr als drei Quarks für möglich gehalten. Wissenschaftler wissen heute, dass solche Partikel existieren. Und doch dauerte es mehrere Jahrzehnte, um die ersten Vier- und Fünf-Quark-Hadronen oder Tetraquarks und Pentaquarks experimentell zu bestätigen.
Eine vollständige Liste von 59 neuen Hadronen, die am LHC entdeckt wurden, ist im Bild unten dargestellt.
Eine vollständige Liste der neuen Hadronen, die am LHC entdeckt wurden,aufgeschlüsselt nach Entdeckungsjahr (horizontale Achse) und Partikelmasse (vertikale Achse). Farben und Formen geben den Quarkgehalt dieser Zustände an. Bildnachweis: LHCb / CERN.
Einige dieser Teilchen sind Pentaquarks, einige sind Tetraquarks und einige sind neue (angeregte) Zustände von Baryonen und Mesonen höherer Energie.
- Pentaquarks sind eine Gruppe subatomarer VerbindungenTeilchen bestehend aus fünf Quarks. Ihre Existenz wurde im Juli 2015 mit dem Large Hadron Collider nachgewiesen. Es sind Baryonen, Hadronen, Fermionen, Resonanzen. Sie eröffnen eine Forschungsrichtung der Hadronenspektroskopie – die Physik der Pentaquarks.
- Ein Tetraquark ist ein Elementarteilchen, ein Hadron, bestehend aus zwei Quarks und zwei Antiquarks. Der Spin eines Tetraquarks kann nur ganzzahlig sein, daher können nur Mesonen eine Tetraquark-Struktur haben.
- Baryonen sind eine Familie von Elementarteilchen:stark wechselwirkende Fermionen, bestehend aus drei Quarks. Im Jahr 2015 wurde auch die Existenz ähnlicher Teilchen aus 5 Quarks, sogenannten Pentaquarks, nachgewiesen. Zu den Hauptbaryonen gehören (mit zunehmender Masse): Proton, Neutron, Lambda-Baryon, Sigma-Hyperon, xy-Hyperon, Omega-Hyperon. Die Masse eines Omega-Hyperons (3278 Elektronenmassen) ist fast das 1,8-fache der Masse eines Protons.
- Meson ist ein Hadron mit dem Wert NullBaryonennummer. Im Standardmodell sind Mesonen zusammengesetzte Elementarteilchen, die aus einer gleichen Anzahl von Quarks und Antiquarks bestehen. Mesonen umfassen Pionen (π-Mesonen), Kaonen (K-Mesonen) und andere, schwerere Mesonen.
Mesonen wurden ursprünglich als Teilchen vorhergesagt, die eine starke Kraft tragen und für den Einschluss von Protonen und Neutronen in Atomkernen verantwortlich sind.
Alle Mesonen sind instabil.Aufgrund der vorhandenen Bindungsenergie ist die Masse eines Mesons um ein Vielfaches größer als die Summe der Massen seiner Quarks. Baryonen bilden zusammen mit Mesonen (letztere bestehen aus einer geraden Anzahl von Quarks) eine Gruppe von Elementarteilchen, die an der starken Wechselwirkung teilnehmen und Hadronen genannt werden.
Die Entdeckung dieser neuen Teilchen zusammen mit MessungenIhre Eigenschaften liefern immer noch wichtige Informationen zum Testen der Grenzen des Quarkmodells. Dies wiederum ermöglicht es den Forschern, ihr Verständnis der starken Kraft zu vertiefen, theoretische Vorhersagen zu testen und Modelle zu verfeinern. Es ist erwähnenswert, dass dies besonders wichtig für die am LHC durchgeführte Forschung ist. Tatsache ist, dass die starke Wechselwirkung für den Großteil dessen verantwortlich ist, was passiert, wenn Hadronen kollidieren. Je besser Wissenschaftler die starke Kraft verstehen, desto genauer werden Simulationen dieser Kollisionen sein. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, kleine Abweichungen von den Erwartungen zu erkennen, die auf mögliche neue physikalische Phänomene hinweisen könnten.
Das erste am LHC (LHC) entdeckte Hadron, χb (3P), wurde von ATLAS entdeckt. Zu den jüngsten gehören ein neues aufgeregtes, wunderschönes, seltsames Baryon, das von CMS beobachtet wurde, und vier von LHCb entdeckte Tetraquarks.
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Das Standardmodell ist eine theoretische Konstruktion inPhysik der Elementarteilchen, die die elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkungen aller Elementarteilchen beschreibt. Die moderne Formulierung wurde Mitte der 70er Jahre nach der experimentellen Bestätigung der Existenz von Quarks fertiggestellt.
Ein Fermion ist ein Teilchen oder Quasiteilchen mit einem halbzahligen Spinwert, dem Eigendrehimpuls von Elementarteilchen.