כמה חלקיקים חדשים התגלו במתאם הדרון הגדול?
התגלית המפורסמת ביותר, כמובן,
מהם הדרונים?
אז מה הם 59 הדרונים החדשים האלה?נתחיל בהתחלה: הדרונים אינם חלקיקים אלמנטריים - פיסיקאים ידעו זאת מאז 1964, כאשר מאריי גל-מאן וג'ורג 'צווייג הציעו באופן עצמאי את מה שמכונה כיום מודל הקווארק. היא הציגה הדרונים כחלקיקים מורכבים, המורכבים מסוגים חדשים של חלקיקים אלמנטריים - קווארקים.
הקווארקים נולדים חופשיים, אך הם נמצאים רק כבולים ...
פרנק וילצ'ק
חתן פרס נובל לפיזיקה על גילוי חופש אסימפטוטי בתורת האינטראקציות החזקות, 2004
המונח "הדרון" עצמו מקורו ביוונית"הדרוס" חזק ומשקף את רכושם של הדרונים להשתתף באינטראקציות חזקות. אלה אינטראקציות בסיסיות לטווח קצר הקושרות קווארקים בתוך גרעינים והדרונים אחרים. כוחה של אינטראקציה זו עדיף בהרבה על חוזק שלושת האינטראקציות הבסיסיות האחרות - אלקטרומגנטיות, חלשות וכבידה.
סקירה קצרה של המשפחות השונות של חלקיקי היסוד והרכב התיאוריות המתארות את יחסי הגומלין ביניהם. חלקיקים אלמנטריים משמאל הם פרמיונים, מימין בוזונים.
הדרונים הם מערכות קשורות של קווארקים ועתיקים. ישנם שני סוגים של הדרונים - בריונים ומזונים.
- באריונים (מטען באריון B = +1) — חלקיקים המורכבים משלושה קווארקים (qqq) והם פרמיונים (J = 1/2, 3/2, ...). בריונים כוללים, למשל, את הפרוטון והנייטרון.
- אנטיבריונים (B = -1) מורכבים משלושה אנטיקארקים (). אנטי פרוטון ואנטי-נויטרונים שייכים לקבוצת האנטי-אנטריונים.
- מזונים (B = 0), המורכבים מקווארק ו אנטיקארק (q), תופסים עמדת ביניים. למסונים יש ספין שלם והם בוזונים (J = 0, 1, 2, ...)
בתורו, קווארקים הם חלקיקים בסיסיים במודל הסטנדרטי. יש להם מטען חשמלי שהוא כפולה של e/3 ואינו ניתן לצפייה במצב חופשי.
פרופסור מאריי גל-מאן במערת ATLAS בשנת 2012. גל-מן הציע את מודל הקווארק ואת השם "קווארק" בשנת 1964 וזכה בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1969. (תמונה: CERN)
כיצד מופיעים הדרונים חדשים?
אבל בדיוק כמו חוקרים עדייןגלה איזוטופים חדשים 150 שנה לאחר שמנדלייב יצר את הטבלה המחזורית, מחקר על המצבים התרכובים האפשריים הנוצרים על ידי קווארקים הוא עדיין תחום פעיל בפיזיקה של חלקיקים.
הסיבה לכך נעוצה בכרומודינמיקה קוונטית.או QCD, תיאוריה המתארת את האינטראקציה החזקה המחזיקה קווארקים בתוך הדרונים. לאינטראקציה זו יש כמה מאפיינים מעניינים, כולל העובדה שעוצמת האינטראקציה לא פוחתת עם המרחק. זה מוביל לנכס האוסר על קיומם של קווארקים חופשיים מחוץ להדרונים - הגבלת צבע. מאפיינים כאלה מקשים מאוד על תיאוריה זו מבחינה מתמטית.
למעשה, עד כה, הגבלת הצבע עצמה לא הוכחה אנליטית. ולמדענים עדיין אין דרך לחזות במדויק אילו שילובים של קווארקים עשויים ליצור האדרונים.
מה אנו יודעים על הדרונים?
עוד בשנות ה-60 כבר היו יותר מ-100 ידועיםסוגי האדרונים. הם התגלו בניסויים במאיצים ובניסויים בקרניים קוסמיות. מודל הקווארקים אפשר לפיסיקאים לתאר את כל "גן החיות" כמצבים מורכבים שונים של שלושה קווארקים שונים בלבד: למעלה, למטה ומוזר. ניתן לתאר את כל ההדרונים הידועים כמורכבים משלושה קווארקים (יוצרים בריונים) או כזוגות קווארקים-אנטיקווארקים (יוצרים מזוונים). אבל התיאוריה גם חזתה סידורים אפשריים אחרים לקווארקים.
כבר בעיתון המקורי של גל-מאן על קווארקיםבשנת 1964, הרעיון של חלקיקים המכילים יותר משלושה קווארקים נחשב אפשרי. מדענים כיום יודעים שחלקיקים כאלה קיימים. ובכל זאת, נדרשו כמה עשורים לאשר בניסוי את הדרונים של ארבעה וחמישה קווארקים הראשונים או טטרקווארקים ופנטקווארקים.
רשימה מלאה של 59 הדרונים חדשים שהתגלו ב- LHC מוצגת בתמונה למטה.
רשימה מלאה של הדרונים חדשים שהתגלו ב- LHC,מחולק לפי שנת גילוי (ציר אופקי) ומסת חלקיקים (ציר אנכי). צבעים וצורות מצביעים על תוכן הקווארק של מצבים אלה. אשראי: LHCb / CERN.
חלק מהחלקיקים הללו הם פנטקווארקים, חלקם טטרה-קווארקים, וחלקם מצבים חדשים (נרגשים) של בריונים ומזונים בעלי אנרגיה גבוהה יותר.
- פנטקווארקים הם קבוצה של תת-אטומיים מורכביםחלקיקים המורכבים מחמישה קווארקים. קיומם הוכח באמצעות מאיץ ההדרון הגדול ביולי 2015. הם בריונים, האדרונים, פרמיונים, רזוננסים. הם מובילים לכיוון של מחקר בספקטרוסקופיה של האדרון - הפיזיקה של הפנטקווארקים.
- טטראקווארק הוא חלקיק יסודי, האדרון, המורכב משני קווארקים ושני אנטי-קווארקים. הספין של טטרקווארק יכול להיות רק מספר שלם, כך שרק למזונים יכול להיות מבנה טטרקווארק.
- בריונים הם משפחה של חלקיקים יסודיים:פרמיונים בעלי אינטראקציה חזקה המורכבת משלושה קווארקים. בשנת 2015, הוכח גם קיומם של חלקיקים דומים של 5 קווארקים, המכונים פנטקווארקים. הבאריונים העיקריים כוללים (ככל שהמסה עולה): פרוטון, נויטרון, למבדה בריון, סיגמה היפרון, xy היפרון, אומגה היפרון. המסה של אומגה היפרון (3278 מסות אלקטרונים) היא כמעט פי 1.8 מהמסה של פרוטון.
- מסון הוא הדרון בעל ערך אפסמספר בריון. במודל הסטנדרטי, מזונים הם חלקיקים אלמנטריים מורכבים המורכבים ממספר שווה של קווארקים ועתיקים. המסונים כוללים יונים (π-mesons), kaons (K-mesons) ומזונים אחרים, כבדים יותר.
Mesons נחזו במקור כחלקיקים הנושאים את הכוח החזק ואחראים להגביל פרוטונים וניטרונים בגרעיני אטום.
כל המזונים אינם יציבים.בשל נוכחותה של אנרגיית קשירה, מסתו של מסון גדולה פי כמה מסכום המסות של הקווארקים המרכיבים אותו. בריונים, יחד עם מזונים (האחרונים המורכבים ממספר זוגי של קווארקים), מהווים קבוצה של חלקיקים יסודיים המשתתפים באינטראקציה החזקה ונקראים האדרונים.
גילוי החלקיקים החדשים הללו יחד עם מדידותהמאפיינים שלהם עדיין מספקים מידע חשוב לבדיקת הגבולות של מודל הקווארק. בתורו, זה מאפשר לחוקרים להעמיק את הבנתם את הכוח החזק, לבדוק תחזיות תיאורטיות ולכוון מודלים. ראוי לציין שזה חשוב במיוחד למחקר שנערך ב-LHC. העובדה היא שהאינטראקציה החזקה אחראית לרוב מה שקורה כאשר האדרונים מתנגשים. ככל שמדענים יבינו טוב יותר את הכוח החזק, כך יהיו סימולציות מדויקות יותר של התנגשויות אלו. כתוצאה מכך יגדל הסיכוי לראות סטיות קטנות מהציפיות שעשויות לרמוז על תופעות פיזיקליות חדשות אפשריות.
הדרון הראשון שהתגלה ב- LHC (LHC), χb (3P), התגלה על ידי ATLAS, והאחרון כולל בריון מוזר יפהפה ונרגש שנצפה על ידי CMS וארבעה טטרקווארקים שהתגלו על ידי LHCb.
קרא עוד
פיזיקאים יצרו אנלוגיה של חור שחור ואישרו את התיאוריה של הוקינג. לאן זה מוביל?
הפלה ומדע: מה יקרה לילדים שילדו
מנוע רקטות גרעיני נבנה לטיסות למאדים. איך זה מסוכן?
המודל הסטנדרטי הוא קונסטרוקציה תיאורטית בפיזיקה של חלקיקים אלמנטריים, המתארת את האינטראקציות האלקטרומגנטיות, החלשות והחזקות של כל החלקיקים האלמנטריים. הניסוח המודרני הושלם באמצע שנות ה -70 לאחר האישור הניסיוני לקיומם של קווארקים.
פרמיון הוא חלקיק או קוואזי-חלקיק עם ערך ספין של חצי שלם, התנע הזוויתי הפנימי של חלקיקים יסודיים.