Combien de nouvelles particules ont été découvertes au Grand collisionneur de hadrons?
La découverte la plus célèbre, bien sûr,
Que sont les hadrons?
Alors, quels sont ces 59 nouveaux hadrons?Commençons par le début: les hadrons ne sont pas des particules élémentaires - les physiciens le savent depuis 1964, lorsque Murray Gell-Mann et George Zweig ont proposé indépendamment ce que l'on appelle aujourd'hui le modèle des quarks. Elle a présenté les hadrons comme des particules composées, constituées de nouveaux types de particules élémentaires - les quarks.
Les quarks naissent libres, mais ils ne se trouvent que liés ...
Frank Wilczek
Lauréat du prix Nobel de physique pour la découverte de la liberté asymptotique dans la théorie des interactions fortes, 2004
Le terme «hadron» lui-même vient du grec«Hadros» est fort et reflète la propriété des hadrons de participer à des interactions fortes. Ce sont des interactions fondamentales à courte portée qui lient les quarks à l'intérieur des nucléons et d'autres hadrons. La force de cette interaction est bien supérieure à la force des trois autres interactions fondamentales - électromagnétique, faible et gravitationnelle.
Bref aperçu des différentes familles de particules élémentaires et composées et des théories décrivant leurs interactions. Les particules élémentaires à gauche sont des fermions, à droite sont des bosons.
Les hadrons sont des systèmes apparentés de quarks et d'antiquarks. Il existe deux types de hadrons: les baryons et les mésons.
- Baryons (charge baryonique B = +1) — particules constituées de trois quarks (qqq) et étant des fermions (J = 1/2, 3/2, ...). Les baryons comprennent, par exemple, le proton et le neutron.
- Les antibaryons (B = -1) se composent de trois antiquarks (). L'antiproton et l'antineutron appartiennent au groupe des antibaryons.
- Les mésons (B = 0), constitués d'un quark et d'un antiquark (q), occupent une position intermédiaire. Les mésons ont un spin entier et sont des bosons (J = 0, 1, 2, ...)
À leur tour, les quarks sont des particules fondamentales dans le modèle standard. Ils ont une charge électrique multiple de e/3 et n’est pas observable à l’état libre.
Professeur Murray Gell-Mann à ATLAS Cave en 2012. Gell-Mann a proposé le modèle de quark et le nom de «quark» en 1964 et a reçu le prix Nobel de physique en 1969. (Image: CERN)
Comment apparaissent les nouveaux hadrons?
Mais tout comme les chercheursdécouvrir de nouveaux isotopes 150 ans après que Mendeleïev ait créé le tableau périodique, la recherche sur les possibles états composés formés par les quarks reste un domaine actif de la physique des particules.
La raison en est la chromodynamique quantique.ou QCD, une théorie décrivant l'interaction forte qui maintient les quarks ensemble à l'intérieur des hadrons. Cette interaction présente plusieurs caractéristiques intéressantes, notamment le fait que la force de l'interaction ne diminue pas avec la distance. Cela conduit à une propriété qui interdit l'existence de quarks libres en dehors des hadrons - limitation de la couleur. De telles caractéristiques rendent cette théorie très difficile d'un point de vue mathématique.
En fait, jusqu’à présent, la limitation des couleurs elle-même n’a pas été prouvée analytiquement. Et les scientifiques n’ont toujours aucun moyen de prédire avec précision quelles combinaisons de quarks pourraient former des hadrons.
Que savons-nous des hadrons?
Dans les années 1960, il y en avait déjà plus de 100 connustypes de hadrons. Ils ont été découverts lors d'expériences sur des accélérateurs et lors d'expériences avec des rayons cosmiques. Le modèle des quarks a permis aux physiciens de décrire l’ensemble du « zoo » comme différents états composites de seulement trois quarks différents : up, down et étrange. Tous les hadrons connus peuvent être décrits soit comme étant constitués de trois quarks (formant des baryons), soit comme des paires quark-antiquark (formant des mésons). Mais la théorie prévoyait également d’autres arrangements possibles pour les quarks.
Déjà dans l'article original de Gell-Mann sur les quarksEn 1964, l'idée de particules contenant plus de trois quarks était considérée comme possible. Les scientifiques savent aujourd'hui que de telles particules existent. Et pourtant, il a fallu plusieurs décennies pour confirmer expérimentalement les premiers hadrons ou tétraquarks et pentaquarks à quatre et cinq quarks.
Une liste complète de 59 nouveaux hadrons découverts au LHC est présentée dans l'image ci-dessous.
Une liste complète des nouveaux hadrons découverts au LHC,désagrégé par année de découverte (axe horizontal) et masse de particules (axe vertical). Les couleurs et les formes indiquent le contenu en quarks de ces états. Crédit: LHCb / CERN.
Certaines de ces particules sont des pentaquarks, d'autres des tétraquarks et d'autres sont de nouveaux états (excités) de baryons et de mésons d'énergie plus élevée.
- Les pentaquarks sont un groupe de composés subatomiquesparticules constituées de cinq quarks. Leur existence a été prouvée grâce au Large Hadron Collider en juillet 2015. Ce sont des baryons, des hadrons, des fermions, des résonances. Ils donnent lieu à une direction de recherche en spectroscopie hadronique : la physique des pentaquarks.
- Un tétraquark est une particule élémentaire, un hadron, constituée de deux quarks et de deux antiquarks. Le spin d'un tétraquark ne peut être qu'un nombre entier, donc seuls les mésons peuvent avoir une structure tétraquark.
- Les baryons sont une famille de particules élémentaires :fermions à forte interaction constitués de trois quarks. En 2015, l’existence de particules similaires de 5 quarks, appelées pentaquarks, a également été prouvée. Les principaux baryons comprennent (à mesure que la masse augmente) : le proton, le neutron, le baryon lambda, l'hypéron sigma, l'hypéron xy, l'hypéron oméga. La masse d’un hypéron oméga (3 278 masses électroniques) est près de 1,8 fois celle d’un proton.
- Le méson est un hadron de valeur nullenuméro de baryon. Dans le modèle standard, les mésons sont des particules élémentaires composées composées d'un nombre égal de quarks et d'antiquarks. Les mésons comprennent les pions (mésons π), les kaons (mésons K) et d'autres mésons plus lourds.
Les mésons ont été initialement prévus comme des particules qui transportent une force forte et sont responsables du confinement des protons et des neutrons dans les noyaux atomiques.
Tous les mésons sont instables.En raison de la présence d’énergie de liaison, la masse d’un méson est plusieurs fois supérieure à la somme des masses de ses quarks constitutifs. Les baryons, avec les mésons (ces derniers étant constitués d'un nombre pair de quarks), constituent un groupe de particules élémentaires participant à l'interaction forte et appelées hadrons.
La découverte de ces nouvelles particules accompagnée de mesuresleurs propriétés fournissent toujours des informations importantes pour tester les limites du modèle des quarks. Cela permet aux chercheurs d’approfondir leur compréhension de la force forte, de tester les prédictions théoriques et d’affiner les modèles. Il convient de noter que cela est particulièrement important pour les recherches menées au LHC. Le fait est que l’interaction forte est responsable de la majeure partie de ce qui se produit lorsque des hadrons entrent en collision. Mieux les scientifiques comprendront cette force puissante, plus les simulations de ces collisions seront précises. En conséquence, les chances de constater de petits écarts par rapport aux attentes pouvant laisser entrevoir d’éventuels nouveaux phénomènes physiques augmenteront.
Le premier hadron découvert au LHC (LHC), χb (3P), a été découvert par ATLAS, et le plus récent comprend un nouveau beau baryon étrange excité observé par CMS et quatre tétraquarques découverts par LHCb.
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Le modèle standard est une construction théorique enphysique des particules élémentaires, qui décrit les interactions électromagnétiques, faibles et fortes de toutes les particules élémentaires. La formulation moderne a été achevée au milieu des années 70 après la confirmation expérimentale de l'existence des quarks.
Un fermion est une particule ou quasi-particule avec une valeur de spin demi-entière, le moment cinétique intrinsèque des particules élémentaires.