Hvor mange nye partikler har blitt oppdaget på Large Hadron Collider?
Den mest kjente oppdagelsen, selvfølgelig,
Hva er hadroner?
Så hva er disse 59 nye hadronene?La oss starte i begynnelsen: hadroner er ikke elementære partikler - fysikere har visst dette siden 1964, da Murray Gell-Mann og George Zweig uavhengig foreslo det som i dag er kjent som kvarkmodellen. Hun presenterte hadroner som sammensatte partikler, bestående av nye typer elementære partikler - kvarker.
Quarks er født gratis, men de er bare funnet bundet ...
Frank Wilczek
Nobelpristageren i fysikk for oppdagelsen av asymptotisk frihet i teorien om sterke interaksjoner, 2004
Begrepet "hadron" i seg selv kommer fra gresk“Hadros” er sterk og gjenspeiler egenskapene til hadroner til å delta i sterke interaksjoner. Dette er kortvarige grunnleggende interaksjoner som binder kvarker inne i nukleoner og andre hadroner. Styrken til denne interaksjonen er langt bedre enn styrken til de tre andre grunnleggende interaksjonene - elektromagnetisk, svak og gravitasjonell.
En kort oversikt over de forskjellige familiene av elementære og sammensatte partikler og teorier som beskriver deres interaksjoner. Elementære partikler til venstre er fermioner, til høyre er bosoner.
Hadroner er relaterte systemer for kvarker og antikvarker. Det er to typer hadroner - baryoner og mesoner.
- Baryons (baryonladning B = +1) — partikler som består av tre kvarker (qqq) og er fermioner (J = 1/2, 3/2, ...). Baryoner inkluderer for eksempel protonet og nøytronet.
- Antibaryoner (B = -1) består av tre antikvarker (). Antiproton og antineutron tilhører gruppen av antibaryoner.
- Mesoner (B = 0), som består av en kvark og en antikvark (q), inntar en mellomposisjon. Mesoner har et helt spinn og er bosoner (J = 0, 1, 2, ...)
I sin tur er kvarker grunnleggende partikler i standardmodellen. De har en elektrisk ladning som er et multiplum av e/3 og er ikke observerbar i fri tilstand.
Professor Murray Gell-Mann ved ATLAS Cave i 2012. Gell-Mann foreslo kvarkmodellen og navnet "kvark" i 1964 og vant Nobelprisen i fysikk i 1969. (Bilde: CERN)
Hvordan vises nye hadroner?
Men akkurat som forskere fortsattoppdage nye isotoper 150 år etter at Mendeleev opprettet det periodiske systemet, er forskning på mulige sammensatte tilstander dannet av kvarker fortsatt et aktivt område av partikkelfysikk.
Årsaken til dette ligger i kvantekromodynamikk.eller QCD, en teori som beskriver den sterke kraften som holder kvarker sammen inne i hadroner. Denne interaksjonen har flere interessante funksjoner, inkludert det faktum at interaksjonens styrke ikke avtar med avstand. Dette fører til en eiendom som forbyder eksistensen av gratis kvarker utenfor hadroner - fargebegrensning. Slike funksjoner gjør denne teorien veldig vanskelig fra et matematisk synspunkt.
Faktisk, til nå, har fargebegrensningen i seg selv ikke blitt bevist analytisk. Og forskere har fortsatt ingen måte å forutsi nøyaktig hvilke kombinasjoner av kvarker som kan danne hadroner.
Hva vet vi om hadroner?
Tilbake på 1960-tallet var det allerede mer enn 100 kjentetyper hadroner. De ble oppdaget i eksperimenter med akseleratorer og i eksperimenter med kosmiske stråler. Kvarkmodellen tillot fysikere å beskrive hele "zoo" som forskjellige sammensatte tilstander av bare tre forskjellige kvarker: opp, ned og merkelig. Alle kjente hadroner kan beskrives som enten bestående av tre kvarker (dannende baryoner) eller som kvark-antikvarkepar (dannende mesoner). Men teorien forutså også andre mulige ordninger for kvarker.
Allerede i Gell-Manns originale artikkel om kvarkerI 1964 ble ideen om partikler som inneholder mer enn tre kvarker ansett som mulig. Forskere i dag vet at slike partikler eksisterer. Og likevel tok det flere tiår å eksperimentelt bekrefte de første fire- og fem-kvark hadronene eller tetrakvarkene og pentaquarkene.
En komplett liste over 59 nye hadroner oppdaget ved LHC er vist på bildet nedenfor.
En komplett liste over nye hadroner oppdaget ved LHC,oppdelt etter oppdagelsesår (horisontal akse) og partikkelmasse (vertikal akse). Farger og former indikerer kvarkinnholdet i disse tilstandene. Kreditt: LHCb / CERN.
Noen av disse partiklene er pentaquarks, noen er tetraquarks, og noen er nye (eksiterte) tilstander med høyere energi baryoner og mesoner.
- Pentaquarks er en gruppe sammensatte subatomærepartikler som består av fem kvarker. Deres eksistens ble bevist ved hjelp av Large Hadron Collider i juli 2015. De er baryoner, hadroner, fermioner, resonanser. De gir opphav til en retning for forskning innen hadronspektroskopi - fysikken til pentaquarks.
- En tetrakvark er en elementær partikkel, en hadron, som består av to kvarker og to antikvarker. Spinnet til en tetraquark kan bare være heltall, så bare mesoner kan ha en tetraquark-struktur.
- Baryoner er en familie av elementærpartikler:sterkt samvirkende fermioner bestående av tre kvarker. I 2015 ble eksistensen av lignende partikler av 5 kvarker, kalt pentaquarks, også bevist. De viktigste baryonene inkluderer (ettersom massen øker): proton, nøytron, lambda baryon, sigma hyperon, xy hyperon, omega hyperon. Massen til et omega-hyperon (3278 elektronmasser) er nesten 1,8 ganger massen til et proton.
- Meson er en hadron med null verdibaryon-nummer. I standardmodellen er mesoner sammensatte elementære partikler sammensatt av like mange kvarker og antikvarker. Mesoner inkluderer pioner (π-mesoner), kaoner (K-mesoner) og andre tyngre mesoner.
Mesoner ble opprinnelig spådd som partikler som bærer den sterke kraften og er ansvarlige for å begrense protoner og nøytroner i atomkjerner.
Alle mesoner er ustabile.På grunn av tilstedeværelsen av bindingsenergi er massen til en meson mange ganger større enn summen av massene til kvarkene som består av den. Baryoner utgjør sammen med mesoner (sistnevnte bestående av et jevnt antall kvarker), en gruppe elementærpartikler som deltar i det sterke samspillet og kalles hadroner.
Oppdagelsen av disse nye partiklene sammen med målingeregenskapene deres gir fortsatt viktig informasjon for å teste grensene til kvarkmodellen. I sin tur lar dette forskere utdype forståelsen av den sterke kraften, teste teoretiske spådommer og finjustere modeller. Det er verdt å merke seg at dette er spesielt viktig for forskning utført ved LHC. Faktum er at det sterke samspillet er ansvarlig for det meste som skjer når hadroner kolliderer. Jo bedre forskerne forstår den sterke kraften, desto mer nøyaktige vil simuleringene av disse kollisjonene være. Som et resultat vil sjansene for å se små avvik fra forventningene som kan antyde mulige nye fysiske fenomener øke.
Den første hadronen som ble oppdaget ved LHC (LHC), χb (3P), ble oppdaget av ATLAS, og den siste inkluderer en ny begeistret vakker, merkelig baryon observert av CMS og fire tetrakvarker oppdaget av LHCb.
Les mer
Fysikere har laget en analog av et svart hull og bekreftet Hawkings teori. Hvor det fører?
Abort og vitenskap: hva vil skje med barna som skal føde
Det bygges en kjernefysisk rakettmotor for flyreiser til Mars. Hvordan er det farlig?
Standardmodellen er en teoretisk konstruksjon ifysikk av elementære partikler, som beskriver de elektromagnetiske, svake og sterke interaksjonene mellom alle elementære partikler. Den moderne formuleringen ble fullført på midten av 70-tallet etter den eksperimentelle bekreftelsen av eksistensen av kvarker.
En fermion er en partikkel eller kvasipartikkel med et halvt heltalls spinnverdi, det indre vinkelmomentet til elementærpartikler.