Πόσα νέα σωματίδια έχουν ανακαλυφθεί στο Large Hadron Collider;
Η πιο διάσημη ανακάλυψη, φυσικά,
Τι είναι τα αδρόνια;
Τι είναι λοιπόν αυτά τα 59 νέα αδρονόνια;Ας ξεκινήσουμε από την αρχή: τα αδρόνια δεν είναι στοιχειώδη σωματίδια - οι φυσικοί το γνωρίζουν αυτό από το 1964, όταν ο Murray Gell-Mann και ο George Zweig πρότειναν ανεξάρτητα αυτό που είναι γνωστό σήμερα ως μοντέλο κουάρκ. Παρουσίασε τα αδόνια ως σύνθετα σωματίδια, αποτελούμενα από νέους τύπους στοιχειωδών σωματιδίων - κουάρκ.
Τα κουάρκ γεννιούνται ελεύθερα, αλλά βρίσκονται μόνο δεσμευμένα ...
Φρανκ Βίλτσεκ
Βραβείο Νόμπελ στη Φυσική για την ανακάλυψη της ασυμπτωτικής ελευθερίας στη θεωρία των ισχυρών αλληλεπιδράσεων, 2004
Ο όρος «hadron» προέρχεται από τα ελληνικάΤο «Hadros» είναι δυνατό και αντικατοπτρίζει την ιδιότητα των αδρονίων να συμμετέχουν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Πρόκειται για θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις μικρής εμβέλειας που δεσμεύουν τα κουάρκ μέσα σε νουκλεόνια και άλλα αδόνια. Η ισχύς αυτής της αλληλεπίδρασης είναι πολύ ανώτερη από τη δύναμη των άλλων τριών θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων - ηλεκτρομαγνητικών, αδύναμων και βαρυτικών.
Μια σύντομη επισκόπηση των διαφόρων οικογενειών στοιχειωδών και σύνθετων σωματιδίων και θεωριών που περιγράφουν τις αλληλεπιδράσεις τους. Τα στοιχειώδη σωματίδια στα αριστερά είναι φερμιόνια, στα δεξιά είναι μποζόνια.
Τα Hadrons είναι σχετικά συστήματα κουάρκ και αντικαρκάρ. Υπάρχουν δύο τύποι αδρονίων - βαρυώνια και μεσόνια.
- Βαρυόνια (βαρυόν φορτίο Β = +1) — σωματίδια που αποτελούνται από τρία κουάρκ (qqq) και είναι φερμιόνια (J = 1/2, 3/2, ...). Τα βαρυόνια περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, το πρωτόνιο και το νετρόνιο.
- Τα Antibaryons (B = -1) αποτελούνται από τρία antiquarks (). Το antiproton και το antineutron ανήκουν στην ομάδα των αντισωμάτων.
- Τα μεσόνια (B = 0), που αποτελούνται από ένα κουάρκ και ένα antiquark (q), κατέχουν μια ενδιάμεση θέση. Τα μεσόνια έχουν ακέραιο γύρισμα και είναι μποζόνια (J = 0, 1, 2, ...)
Με τη σειρά τους, τα κουάρκ είναι θεμελιώδη σωματίδια στο Καθιερωμένο Μοντέλο. Έχουν ηλεκτρικό φορτίο που είναι πολλαπλάσιο του e/3 και δεν είναι παρατηρήσιμο στην ελεύθερη κατάσταση.
Ο καθηγητής Murray Gell-Mann στο σπήλαιο ATLAS το 2012. Ο Gell-Mann πρότεινε το μοντέλο κουάρκ και το όνομα "κουάρκ" το 1964 και κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1969. (Εικόνα: CERN)
Πώς εμφανίζονται τα νέα αδρονόνια;
Αλλά όπως και οι ερευνητές ακόμαανακαλύψτε νέα ισότοπα 150 χρόνια αφότου ο Mendeleev δημιούργησε τον περιοδικό πίνακα, η έρευνα για τις πιθανές σύνθετες καταστάσεις που σχηματίζονται από τα κουάρκ εξακολουθεί να είναι μια ενεργή περιοχή της σωματιδιακής φυσικής.
Ο λόγος για αυτό έγκειται στην κβαντική χρωμοδυναμική.ή QCD, μια θεωρία που περιγράφει την ισχυρή δύναμη που συγκρατεί τα κουάρκ μαζί μέσα σε αδρόνια. Αυτή η αλληλεπίδραση έχει πολλά ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά, όπως το γεγονός ότι η ισχύς της αλληλεπίδρασης δεν μειώνεται με την απόσταση. Αυτό οδηγεί σε μια ιδιότητα που απαγορεύει την ύπαρξη ελεύθερων κουάρκ εκτός των αδρονίων - περιορισμός χρώματος. Τέτοια χαρακτηριστικά καθιστούν αυτή τη θεωρία πολύ δύσκολη από μαθηματική άποψη.
Στην πραγματικότητα, μέχρι τώρα, ο ίδιος ο περιορισμός χρώματος δεν έχει αποδειχθεί αναλυτικά. Και οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη τρόπο να προβλέψουν με ακρίβεια ποιοι συνδυασμοί κουάρκ θα μπορούσαν να σχηματίσουν αδρόνια.
Τι γνωρίζουμε για τα αδρόνια;
Στη δεκαετία του 1960 υπήρχαν ήδη περισσότερα από 100 γνωστάείδη αδρονίων. Ανακαλύφθηκαν σε πειράματα σε επιταχυντές και σε πειράματα με κοσμικές ακτίνες. Το μοντέλο των κουάρκ επέτρεψε στους φυσικούς να περιγράψουν ολόκληρο τον «ζωολογικό κήπο» ως διαφορετικές σύνθετες καταστάσεις τριών μόνο διαφορετικών κουάρκ: πάνω, κάτω και παράξενο. Όλα τα γνωστά αδρόνια μπορούν να περιγραφούν είτε ως αποτελούμενα από τρία κουάρκ (που σχηματίζουν βαρυόνια) είτε ως ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ (σχηματίζοντας μεσόνια). Αλλά η θεωρία προέβλεψε και άλλες πιθανές ρυθμίσεις για τα κουάρκ.
Ήδη στο αρχικό άρθρο του Gell-Mann για τα κουάρκΤο 1964, θεωρήθηκε δυνατή η ιδέα των σωματιδίων που περιέχουν περισσότερα από τρία κουάρκ. Οι επιστήμονες γνωρίζουν σήμερα ότι υπάρχουν τέτοια σωματίδια. Και όμως, χρειάστηκαν αρκετές δεκαετίες για να επιβεβαιωθεί πειραματικά τα πρώτα τέσσερα και πέντε-κουάρκ αδρονίων ή τετρακουάρκ και πεντακουάρκ.
Ένας πλήρης κατάλογος 59 νέων αδρονίων που ανακαλύφθηκαν στον LHC φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.
Ένας πλήρης κατάλογος των νέων αδρονίων που ανακαλύφθηκαν στον LHC,αναλυτικά ανά έτος ανακάλυψης (οριζόντιος άξονας) και σωματική μάζα (κάθετος άξονας). Τα χρώματα και τα σχήματα υποδεικνύουν το περιεχόμενο του κουάρκ αυτών των καταστάσεων. Πίστωση: LHCb / CERN.
Μερικά από αυτά τα σωματίδια είναι πεντακουάρκ, μερικά είναι τετρακουάρκ, και μερικά είναι νέες (διεγερμένες) καταστάσεις βαρυών και μεσόνων υψηλότερης ενέργειας.
- Τα πεντακουάρκ είναι μια ομάδα σύνθετων υποατομικώνσωματίδια που αποτελούνται από πέντε κουάρκ. Η ύπαρξή τους αποδείχθηκε χρησιμοποιώντας τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων τον Ιούλιο του 2015. Είναι βαρυόνια, αδρόνια, φερμιόνια, συντονισμοί. Δίνουν αφορμή για μια κατεύθυνση έρευνας στη φασματοσκοπία αδρονίων - τη φυσική των πεντακουάρκ.
- Το τετρακουάρκ είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο, ένα αδρόνιο, που αποτελείται από δύο κουάρκ και δύο αντικουάρκ. Το σπιν ενός τετρακουάρκ μπορεί να είναι μόνο ακέραιος, επομένως μόνο τα μεσόνια μπορούν να έχουν δομή τετρακουάρκ.
- Τα βαρυόνια είναι μια οικογένεια στοιχειωδών σωματιδίων:ισχυρά αλληλεπιδρώντα φερμιόνια που αποτελούνται από τρία κουάρκ. Το 2015 αποδείχθηκε επίσης η ύπαρξη παρόμοιων σωματιδίων 5 κουάρκ, που ονομάζονται πεντακουάρκ. Τα κύρια βαρυόνια περιλαμβάνουν (καθώς αυξάνεται η μάζα): πρωτόνιο, νετρόνιο, βαρυόνιο λάμδα, υπερόν σίγμα, υπερόν xy, ωμέγα υπερόν. Η μάζα ενός ωμέγα υπερονίου (3278 μάζες ηλεκτρονίων) είναι σχεδόν 1,8 φορές η μάζα ενός πρωτονίου.
- Το Meson είναι αδρονίου με μηδενική τιμήαριθμός baryon. Στο πρότυπο μοντέλο, τα μεσόνια είναι σύνθετα στοιχειώδη σωματίδια που αποτελούνται από ίσο αριθμό κουάρκ και αντικαράρ. Μεσόνια περιλαμβάνουν πιόνια (π-μεσόνια), καόνια (Κ-μεσόνια) και άλλα, βαρύτερα μεσόνια.
Τα μεσόνια είχαν αρχικά προβλεφθεί ως σωματίδια που φέρουν την ισχυρή δύναμη και είναι υπεύθυνα για τον περιορισμό των πρωτονίων και των νετρονίων στους ατομικούς πυρήνες.
Όλα τα μεσόνια είναι ασταθή.Λόγω της παρουσίας ενέργειας δέσμευσης, η μάζα ενός μεσονίου είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από το άθροισμα των μαζών των κουάρκ που το αποτελούν. Τα βαρυόνια, μαζί με τα μεσόνια (τα τελευταία αποτελούνται από ζυγό αριθμό κουάρκ), αποτελούν μια ομάδα στοιχειωδών σωματιδίων που συμμετέχουν στην ισχυρή αλληλεπίδραση και ονομάζονται αδρόνια.
Η ανακάλυψη αυτών των νέων σωματιδίων μαζί με μετρήσειςΟι ιδιότητές τους εξακολουθούν να παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για τη δοκιμή των ορίων του μοντέλου κουάρκ. Με τη σειρά του, αυτό επιτρέπει στους ερευνητές να εμβαθύνουν την κατανόησή τους για την ισχυρή δύναμη, να δοκιμάσουν θεωρητικές προβλέψεις και να βελτιώσουν τα μοντέλα. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την έρευνα που διεξάγεται στο LHC. Το γεγονός είναι ότι η ισχυρή αλληλεπίδραση είναι υπεύθυνη για το μεγαλύτερο μέρος του τι συμβαίνει όταν τα αδρόνια συγκρούονται. Όσο καλύτερα κατανοούν οι επιστήμονες την ισχυρή δύναμη, τόσο πιο ακριβείς θα είναι οι προσομοιώσεις αυτών των συγκρούσεων. Ως αποτέλεσμα, οι πιθανότητες να δούμε μικρές αποκλίσεις από τις προσδοκίες που μπορεί να υπαινίσσονται πιθανά νέα φυσικά φαινόμενα θα αυξηθούν.
Το πρώτο αδρόνιο που ανακαλύφθηκε στο LHC (LHC), χb (3P), ανακαλύφθηκε από τον ATLAS και το πιο πρόσφατο περιλαμβάνει ένα νέο ενθουσιασμένο όμορφο παράξενο βαρύνιο που παρατηρήθηκε από το CMS και τέσσερα τετρακάρκα που ανακαλύφθηκαν από το LHCb.
Διαβάστε περισσότερα
Οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει ένα ανάλογο μιας μαύρης τρύπας και επιβεβαίωσαν τη θεωρία του Hawking. Πού οδηγεί;
Άμβλωση και επιστήμη: τι θα συμβεί στα παιδιά που θα γεννήσουν
Ένας πυρηνικός κινητήρας πυραύλων κατασκευάζεται για πτήσεις προς τον Άρη. Πώς είναι επικίνδυνο;
Το πρότυπο μοντέλο είναι μια θεωρητική κατασκευή στοφυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, η οποία περιγράφει τις ηλεκτρομαγνητικές, αδύναμες και ισχυρές αλληλεπιδράσεις όλων των στοιχειωδών σωματιδίων. Η σύγχρονη διατύπωση ολοκληρώθηκε στα μέσα της δεκαετίας του '70 μετά την πειραματική επιβεβαίωση της ύπαρξης των κουάρκ.
Ένα φερμιόνιο είναι ένα σωματίδιο ή οιονεί σωματίδιο με μισή ακέραια τιμή σπιν, την εγγενή γωνιακή ορμή των στοιχειωδών σωματιδίων.