Quante nuove particelle sono state scoperte al Large Hadron Collider?
La scoperta più famosa, ovviamente, è
Cosa sono gli adroni?
Allora cosa sono questi 59 nuovi adroni?Cominciamo dall'inizio: gli adroni non sono particelle elementari - i fisici lo sanno dal 1964, quando Murray Gell-Mann e George Zweig hanno proposto indipendentemente quello che oggi è noto come modello a quark. Ha presentato gli adroni come particelle composte, costituite da nuovi tipi di particelle elementari: i quark.
I quark nascono liberi, ma si trovano solo legati ...
Frank Wilczek,
Premio Nobel per la fisica per la scoperta della libertà asintotica nella teoria delle interazioni forti, 2004
Lo stesso termine "adrone" deriva dal greco"Hadros" è forte e riflette la proprietà degli adroni di partecipare a forti interazioni. Queste sono interazioni fondamentali a corto raggio che legano i quark all'interno di nucleoni e altri adroni. La forza di questa interazione è di gran lunga superiore alla forza delle altre tre interazioni fondamentali: elettromagnetica, debole e gravitazionale.
Una breve panoramica delle varie famiglie di particelle elementari e composte e teorie che descrivono le loro interazioni. Le particelle elementari a sinistra sono fermioni, a destra sono i bosoni.
Gli adroni sono sistemi correlati di quark e antiquark. Esistono due tipi di adroni: barioni e mesoni.
- I barioni (carica barionica B = 1) sono particelle composte da tre quark (qqq) e sono fermioni (J = 1/2, 3/2, ...).I barioni includono, ad esempio, il protone e il neutrone.
- Gli Antibarioni (B = -1) sono costituiti da tre antiquark (). L'antiprotone e l'antineutrone appartengono al gruppo degli antibaryons.
- I mesoni (B = 0), costituiti da un quark e un antiquark (q), occupano una posizione intermedia. I mesoni hanno uno spin intero e sono bosoni (J = 0, 1, 2, ...)
I quark, d'altra parte, sono particelle fondamentali nel Modello Standard.Hanno una carica elettrica che è un multiplo di e/3 e non è osservabile allo stato libero.
Il professor Murray Gell-Mann presso ATLAS Cave nel 2012. Gell-Mann ha proposto il modello a quark e il nome "quark" nel 1964 e ha ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 1969. (Immagine: CERN)
Come appaiono i nuovi adroni?
Ma proprio mentre i ricercatori stanno ancora scoprendo nuovi isotopi dopo 150 anniDopo che Mendeleev creò la tavola periodica, lo studio dei possibili stati composti formati dai quark è ancora un'area attiva della fisica delle particelle.
La ragione di ciò risiede nella cromodinamica quantistica.o QCD, una teoria che descrive la forte interazione che tiene insieme i quark all'interno degli adroni. Questa interazione ha diverse caratteristiche interessanti, incluso il fatto che la forza dell'interazione non diminuisce con la distanza. Ciò porta a una proprietà che proibisce l'esistenza di quark liberi al di fuori degli adroni: limitazione del colore. Tali caratteristiche rendono questa teoria molto difficile da un punto di vista matematico.
In effetti, fino ad ora, la limitazione del colore stesso non è stata dimostrata analiticamente.E gli scienziati non hanno ancora un modo per prevedere con precisione quali combinazioni di quark potrebberoper formare adroni.
Cosa sappiamo degli adroni?
Negli anni '60, c'erano già più di 100 varietà conosciute di adroni.Sono stati trovati in esperimenti con acceleratori e in esperimenti con raggi cosmici.Il modello a quark ha permesso ai fisici di descrivere l'intero "zoo" come diversi stati composti di soli tre diversi quark: up, down e strange.Tutti gli adroni conosciuti possono essere descritti come costituiti da tre quark (che formano barioni) o come coppie quark-antiquark (che formano mesoni).Ma la teoria prevedeva anche altri possibili progetti di quark.
Già nell'articolo originale di Gell-Mann sui quarkNel 1964 l'idea di particelle contenenti più di tre quark era considerata possibile. Gli scienziati oggi sanno che tali particelle esistono. Eppure, ci sono voluti diversi decenni per confermare sperimentalmente i primi adroni a quattro e cinque quark o tetraquark e pentaquark.
Un elenco completo di 59 nuovi adroni scoperti all'LHC è mostrato nell'immagine qui sotto.
Un elenco completo dei nuovi adroni scoperti all'LHC,disaggregato per anno di scoperta (asse orizzontale) e massa delle particelle (asse verticale). I colori e le forme indicano il contenuto di quark di questi stati. Credito: LHCb / CERN.
Alcune di queste particelle sono pentaquark, alcune sono tetraquark e altre sono nuovi stati (eccitati) di barioni e mesoni di energia superiore.
- I pentaquark sono un gruppo di particelle subatomiche composite costituite da cinque quark.La loro esistenza è stata dimostrata utilizzando il Large Hadron Collider nel luglio 2015.Sono barioni, adroni, fermioni e risonanze. Danno origine a un campo di ricerca nella spettroscopia degli adroni: la fisica dei pentaquark.
- Un tetraquark è una particella elementare, un adrone, costituito da due quark e due antiquark.Lo spin di un tetraquark può essere solo un numero intero, quindi una struttura di tetraquark puòhanno solo mesoni.
- I barioni sono una famiglia di particelle elementari: fermioni fortemente interagenti costituiti da tre quark.Nel 2015 è stata dimostrata anche l'esistenza di particelle simili di 5 quark, chiamate pentaquark.I barioni principali includono (all'aumentare della massa): protone, neutrone, lambda-barione, sigma-iperone, xi-iperone, omega-iperone.La massa dell'iperone omega (3.278 masse di elettroni) è quasi 1,8 volte la massa di un protone.
- Meson è un adrone con valore zeronumero barione. Nel Modello Standard, i mesoni sono particelle elementari composte composte da un numero uguale di quark e antiquark. I mesoni includono pioni (mesoni π), kaoni (mesoni K) e altri mesoni più pesanti.
Inizialmente, si prevedeva che i mesoni fossero particelle che trasportano la forza forte e sono responsabili della ritenzione di protoni e neutroni nei nuclei atomici.
A causa della presenza di energia di legame, la massa del mesone è molte volte maggiore della somma delle masse dei quark che lo costituiscono.I barioni, insieme ai mesoni (questi ultimi costituiti da un numero pari di quark), costituisconoUn gruppo di particelle elementari coinvolte nell'interazione forte e chiamate adroni.
La scoperta di queste nuove particelle, insieme alle misurazioni delle loro proprietà, produce ancoraA sua volta, questo consente di controllare i limiti del modello a quark.ricercatori per approfondire la loro comprensione dell'interazione forte, testare le previsioni teoriche e mettere a punto i modelli.Vale la pena notare che questo è particolarmente importante per la ricerca condotta all'LHC.Il fatto è che una forte interazione è responsabile della maggior parte di ciò che accadePiù gli scienziati capiscono la forza forte, più accurata saràDi conseguenza, le probabilità di vedere piccole deviazioni dalLe aspettative che possono suggerire possibili nuovi fenomeni fisici aumenteranno.
Il primo adrone scoperto all'LHC (LHC), χb (3P), è stato scoperto da ATLAS, e il più recente include un nuovo bellissimo strano barione eccitato osservato da CMS e quattro tetraquark scoperti da LHCb.
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Il Modello Standard è una costruzione teorica infisica delle particelle elementari, che descrive le interazioni elettromagnetiche, deboli e forti di tutte le particelle elementari. La moderna formulazione è stata completata a metà degli anni '70 dopo la conferma sperimentale dell'esistenza dei quark.
Un fermione è una particella o quasiparticella con un valore semiintero di spin, il momento angolare intrinseco delle particelle elementari.