Hoeveel nieuwe deeltjes zijn er ontdekt bij de Large Hadron Collider?
De bekendste ontdekking is natuurlijk
Wat zijn hadronen?
Dus wat zijn deze 59 nieuwe hadronen?Laten we bij het begin beginnen: hadronen zijn geen elementaire deeltjes - natuurkundigen weten dit al sinds 1964, toen Murray Gell-Mann en George Zweig onafhankelijk van elkaar voorstelden wat tegenwoordig bekend staat als het quarkmodel. Ze presenteerde hadronen als samengestelde deeltjes, bestaande uit nieuwe soorten elementaire deeltjes - quarks.
Quarks worden gratis geboren, maar ze worden alleen gebonden gevonden ...
Frank Wilczek
Nobelprijswinnaar natuurkunde voor de ontdekking van asymptotische vrijheid in de theorie van sterke interacties, 2004
De term "hadron" zelf komt uit het Grieks"Hadros" is sterk en weerspiegelt de eigenschap van hadronen om deel te nemen aan sterke interacties. Dit zijn fundamentele interacties op korte termijn die quarks binden in nucleonen en andere hadronen. De kracht van deze interactie is veel groter dan de kracht van de andere drie fundamentele interacties - elektromagnetisch, zwak en zwaartekracht.
Een kort overzicht van de verschillende families van elementaire en samengestelde deeltjes en theorieën die hun interacties beschrijven. Elementaire deeltjes aan de linkerkant zijn fermionen, aan de rechterkant zijn bosonen.
Hadrons zijn verwante systemen van quarks en antiquarks. Er zijn twee soorten hadronen: baryonen en mesonen.
- Baryonen (baryonenlading B = +1) — deeltjes bestaande uit drie quarks (qqq) en fermionen (J = 1/2, 3/2, ...). Baryonen omvatten bijvoorbeeld het proton en het neutron.
- Antibaryons (B = -1) bestaan uit drie antiquarks (). Antiproton en antineutron behoren tot de groep van antibaryonen.
- Mesonen (B = 0), bestaande uit een quark en een antiquark (q), nemen een tussenpositie in. Mesonen hebben een gehele spin en zijn bosonen (J = 0, 1, 2, ...)
Quarks zijn op hun beurt fundamentele deeltjes in het Standaardmodel. Ze hebben een elektrische lading die een veelvoud is van e/3 en die in de vrije staat niet waarneembaar is.
Professor Murray Gell-Mann bij ATLAS Cave in 2012. Gell-Mann stelde in 1964 het quarkmodel en de naam "quark" voor en ontving in 1969 de Nobelprijs voor de natuurkunde. (Afbeelding: CERN)
Hoe verschijnen nieuwe hadronen?
Maar net zoals onderzoekers nog steedsOntdek nieuwe isotopen 150 jaar nadat Mendelejev het periodiek systeem creëerde, is onderzoek naar de mogelijke samengestelde toestanden gevormd door quarks nog steeds een actief gebied van de deeltjesfysica.
De reden hiervoor ligt in de kwantumchromodynamica.of QCD, een theorie die de sterke interactie beschrijft die quarks bij elkaar houdt in hadronen. Deze interactie heeft verschillende interessante kenmerken, waaronder het feit dat de sterkte van de interactie niet afneemt met de afstand. Dit leidt tot een eigenschap die het bestaan van gratis quarks buiten de hadronen-kleurbeperking verbiedt. Dergelijke kenmerken maken deze theorie wiskundig gezien erg moeilijk.
In feite is kleurbeperking zelf tot nu toe niet analytisch bewezen. En wetenschappers hebben nog steeds geen manier om nauwkeurig te voorspellen welke combinaties van quarks hadronen zouden kunnen vormen.
Wat weten we over hadronen?
In de jaren zestig waren er al meer dan 100 bekendsoorten hadronen. Ze werden ontdekt bij experimenten met versnellers en bij experimenten met kosmische straling. Het quarkmodel stelde natuurkundigen in staat de hele ‘dierentuin’ te beschrijven als verschillende samengestelde toestanden van slechts drie verschillende quarks: omhoog, omlaag en vreemd. Alle bekende hadronen kunnen worden beschreven als bestaande uit drie quarks (die baryonen vormen) of als quark-antiquark-paren (die mesonen vormen). Maar de theorie voorspelde ook andere mogelijke arrangementen voor quarks.
Al in het originele artikel van Gell-Mann over quarksIn 1964 werd het idee van deeltjes met meer dan drie quarks mogelijk geacht. Wetenschappers weten tegenwoordig dat dergelijke deeltjes bestaan. En toch duurde het tientallen jaren om de eerste vier- en vijf-quark-hadronen of tetraquarks en pentaquarks experimenteel te bevestigen.
Een volledige lijst van 59 nieuwe hadronen die bij de LHC zijn ontdekt, wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Een complete lijst van nieuwe hadronen ontdekt bij de LHC,uitgesplitst naar jaar van ontdekking (horizontale as) en deeltjesmassa (verticale as). Kleuren en vormen geven de quarkinhoud van deze toestanden aan. Krediet: LHCb / CERN.
Sommige van deze deeltjes zijn pentaquarks, sommige zijn tetraquarks, en sommige zijn nieuwe (aangeslagen) toestanden van hogere energie baryonen en mesonen.
- Pentaquarks zijn een groep subatomaire verbindingendeeltjes bestaande uit vijf quarks. Hun bestaan werd in juli 2015 bewezen met behulp van de Large Hadron Collider. Het zijn baryonen, hadronen, fermionen, resonanties. Ze geven aanleiding tot een onderzoeksrichting in de hadronspectroscopie: de fysica van pentaquarks.
- Een tetraquark is een elementair deeltje, een hadron, bestaande uit twee quarks en twee antiquarks. De spin van een tetraquark kan alleen geheeltallig zijn, dus alleen mesonen kunnen een tetraquarkstructuur hebben.
- Baryonen zijn een familie van elementaire deeltjes:sterk op elkaar inwerkende fermionen bestaande uit drie quarks. In 2015 werd ook het bestaan van soortgelijke deeltjes van 5 quarks, pentaquarks genaamd, bewezen. De belangrijkste baryonen omvatten (naarmate de massa toeneemt): proton, neutron, lambda-baryon, sigma-hyperon, xi-hyperon, omega-hyperon. De massa van een omega-hyperon (3278 elektronenmassa's) is bijna 1,8 keer de massa van een proton.
- Meson is een hadron met een nulwaardebaryon nummer. In het standaardmodel zijn mesonen samengestelde elementaire deeltjes die zijn samengesteld uit een gelijk aantal quarks en antiquarks. Mesonen omvatten pionen (π-mesonen), kaonen (K-mesonen) en andere, zwaardere mesonen.
Mesonen werden oorspronkelijk voorspeld als deeltjes die de sterke kracht dragen en verantwoordelijk zijn voor het opsluiten van protonen en neutronen in atoomkernen.
Alle mesonen zijn instabiel.Door de aanwezigheid van bindingsenergie is de massa van een meson vele malen groter dan de som van de massa’s van de quarks waaruit het bestaat. Baryonen vormen samen met mesonen (de laatste bestaat uit een even aantal quarks) een groep elementaire deeltjes die deelnemen aan de sterke interactie en hadronen worden genoemd.
De ontdekking van deze nieuwe deeltjes samen met metingenhun eigenschappen bieden nog steeds belangrijke informatie voor het testen van de grenzen van het quarkmodel. Hierdoor kunnen onderzoekers hun begrip van de sterke kracht verdiepen, theoretische voorspellingen testen en modellen verfijnen. Het is vermeldenswaard dat dit vooral van belang is voor onderzoek dat aan de LHC wordt uitgevoerd. Feit is dat de sterke interactie verantwoordelijk is voor het grootste deel van wat er gebeurt als hadronen botsen. Hoe beter wetenschappers de sterke kracht begrijpen, hoe nauwkeuriger de simulaties van deze botsingen zullen zijn. Als gevolg hiervan zal de kans groter worden dat er kleine afwijkingen van de verwachtingen worden waargenomen die kunnen duiden op mogelijke nieuwe fysische verschijnselen.
De eerste hadron ontdekt bij de LHC (LHC), χb (3P), werd ontdekt door ATLAS, en de meest recente omvatten een nieuwe opgewonden mooie vreemde baryon waargenomen door CMS en vier tetraquarks ontdekt door LHCb.
Lees verder
Natuurkundigen hebben een analoog van een zwart gat gemaakt en de theorie van Hawking bevestigd. Waar leidt het toe?
Abortus en wetenschap: wat gebeurt er met de kinderen die zullen bevallen
Er wordt een nucleaire raketmotor gebouwd voor vluchten naar Mars. Hoe is het gevaarlijk?
Het standaardmodel is een theoretische constructie infysica van elementaire deeltjes, die de elektromagnetische, zwakke en sterke interacties van alle elementaire deeltjes beschrijft. De moderne formulering werd halverwege de jaren 70 voltooid na experimentele bevestiging van het bestaan van quarks.
Een fermion is een deeltje of quasideeltje met een spinwaarde van een half geheel getal, het intrinsieke impulsmoment van elementaire deeltjes.