Ile nowych cząstek odkryto w Wielkim Zderzaczu Hadronów?
Najsłynniejszym odkryciem jest oczywiście
Co to są hadrony?
Więc czym są te 59 nowych hadronów?Zacznijmy od początku: hadrony nie są cząstkami elementarnymi - fizycy wiedzą o tym od 1964 roku, kiedy Murray Gell-Mann i George Zweig niezależnie zaproponowali to, co jest dziś znane jako model kwarków. Przedstawiła hadrony jako cząstki złożone, składające się z nowych typów cząstek elementarnych - kwarków.
Kwarki rodzą się wolne, ale można je znaleźć tylko związane ...
Franka Wilczka
Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie asymptotycznej swobody w teorii oddziaływań silnych, 2004
Sam termin „hadron” pochodzi z języka greckiego„Hadros” jest silny i odzwierciedla właściwość hadronów do uczestniczenia w silnych interakcjach. Są to podstawowe interakcje krótkiego zasięgu, które wiążą kwarki wewnątrz nukleonów i innych hadronów. Siła tego oddziaływania znacznie przewyższa siłę pozostałych trzech podstawowych oddziaływań - elektromagnetycznego, słabego i grawitacyjnego.
Krótki przegląd różnych rodzin cząstek elementarnych i złożonych oraz teorii opisujących ich interakcje. Cząstki elementarne po lewej stronie to fermiony, po prawej bozony.
Hadrony to pokrewne systemy kwarków i antykwarków. Istnieją dwa rodzaje hadronów - bariony i mezony.
- Bariony (ładunek barionowy B = +1) `8212; cząstki składające się z trzech kwarków (qqq) i będące fermionami (J = 1/2, 3/2, ...). Do barionów zalicza się na przykład proton i neutron.
- Antybariony (B = -1) składają się z trzech antykwarków (). Antyproton i antineutron należą do grupy antyarionów.
- Mezony (B = 0), składające się z kwarka i antykwarka (q), zajmują pozycję pośrednią. Mezony mają spin całkowity i są bozonami (J = 0, 1, 2, ...)
Z kolei kwarki są cząstkami podstawowymi w Modelu Standardowym. Mają ładunek elektryczny będący wielokrotnością e/3 i nie można go zaobserwować w stanie swobodnym.
Profesor Murray Gell-Mann w ATLAS Cave w 2012 roku. Gell-Mann zaproponował model kwarka i nazwę „kwark” w 1964 roku i otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1969 roku. (Zdjęcie: CERN)
Jak pojawiają się nowe hadrony?
Ale tak samo jak badaczeodkrywają nowe izotopy 150 lat po stworzeniu przez Mendelejewa układu okresowego okresowego, badania nad możliwymi stanami złożonymi tworzonymi przez kwarki są nadal aktywnym obszarem fizyki cząstek elementarnych.
Przyczyna tego leży w chromodynamice kwantowej.lub QCD, teoria opisująca oddziaływanie silne, które utrzymuje razem kwarki wewnątrz hadronów. Ta interakcja ma kilka interesujących cech, w tym fakt, że siła interakcji nie zmniejsza się wraz z odległością. Prowadzi to do właściwości, która zabrania istnienia wolnych kwarków poza hadronami - ograniczenie koloru. Takie cechy czynią tę teorię bardzo trudną z matematycznego punktu widzenia.
W rzeczywistości, jak dotąd, samo ograniczenie koloru nie zostało udowodnione analitycznie. Naukowcy wciąż nie mają możliwości dokładnego przewidzenia, jakie kombinacje kwarków mogą tworzyć hadrony.
Co wiemy o hadronach?
W latach sześćdziesiątych XX wieku znanych było już ponad 100 takich osóbrodzaje hadronów. Odkryto je w eksperymentach przy akceleratorach i eksperymentach z promieniami kosmicznymi. Model kwarkowy pozwolił fizykom opisać całe „zoo” jako różne stany złożone zaledwie trzech różnych kwarków: górnego, dolnego i dziwnego. Wszystkie znane hadrony można opisać jako składające się z trzech kwarków (tworzące bariony) lub jako pary kwark-antykwark (tworzące mezony). Ale teoria przewidywała także inne możliwe układy kwarków.
Już w oryginalnej pracy Gell-Manna na temat kwarkówW 1964 roku uznano za możliwy pomysł cząstek zawierających więcej niż trzy kwarki. Dzisiejsi naukowcy wiedzą, że takie cząstki istnieją. A jednak eksperymentalne potwierdzenie pierwszych cztero- i pięciokwarkowych hadronów lub tetrakwarków i pentakwarków zajęło kilka dziesięcioleci.
Pełna lista 59 nowych hadronów odkrytych w LHC jest pokazana na poniższym obrazku.
Pełna lista nowych hadronów odkrytych w LHC,zdezagregowane według roku odkrycia (oś pozioma) i masy cząstek (oś pionowa). Kolory i kształty wskazują na zawartość kwarków w tych stanach. Kredyt: LHCb / CERN.
Niektóre z tych cząstek to pentakwarki, inne to tetrakwarki, a niektóre to nowe (wzbudzone) stany barionów i mezonów o wyższej energii.
- Pentakwarki to grupa złożonych cząstek subatomowychcząstki składające się z pięciu kwarków. Ich istnienie zostało udowodnione przy użyciu Wielkiego Zderzacza Hadronów w lipcu 2015 roku. Są to bariony, hadrony, fermiony, rezonanse. Dają początek kierunkowi badań w spektroskopii hadronów - fizyce pentakwarków.
- Tetrakwark to cząstka elementarna, hadron, składająca się z dwóch kwarków i dwóch antykwarków. Spin tetrakwarku może być tylko liczbą całkowitą, więc tylko mezony mogą mieć strukturę tetrakwarku.
- Bariony to rodzina cząstek elementarnych:silnie oddziałujące fermiony składające się z trzech kwarków. W 2015 roku udowodniono także istnienie podobnych cząstek 5 kwarków, zwanych pentakwarkami. Do głównych barionów zalicza się (w miarę wzrostu masy): proton, neutron, barion lambda, hiperon sigma, hiperon xy, hiperon omega. Masa hiperonu omega (3278 mas elektronów) jest prawie 1,8 masy protonu.
- Mezon to hadron o zerowej wartościliczba barionowa. W Modelu Standardowym mezony są złożonymi cząstkami elementarnymi złożonymi z równej liczby kwarków i antykwarków. Mezony obejmują piony (mezony π), kaony (mezony K) i inne, cięższe mezony.
Pierwotnie przewidywano, że mezony to cząstki przenoszące duże oddziaływania i odpowiedzialne za uwięzienie protonów i neutronów w jądrach atomowych.
Wszystkie mezony są niestabilne.Ze względu na obecność energii wiązania masa mezonu jest wielokrotnie większa niż suma mas wchodzących w jego skład kwarków. Bariony wraz z mezonami (ten ostatni złożony z parzystej liczby kwarków) stanowią grupę cząstek elementarnych uczestniczących w oddziaływaniach silnych, zwanych hadronami.
Odkrycie tych nowych cząstek wraz z pomiaramiich właściwości nadal dostarczają ważnych informacji do testowania granic modelu kwarku. To z kolei pozwala badaczom pogłębić wiedzę na temat oddziaływania silnego, przetestować przewidywania teoretyczne i udoskonalić modele. Warto zaznaczyć, że jest to szczególnie istotne w przypadku badań prowadzonych w LHC. Faktem jest, że za większość tego, co dzieje się, gdy hadrony się zderzają, odpowiada oddziaływanie silne. Im lepiej naukowcy zrozumieją działanie silne, tym dokładniejsze będą symulacje tych zderzeń. W rezultacie wzrosną szanse na dostrzeżenie niewielkich odchyleń od oczekiwań, które mogą sugerować możliwe nowe zjawiska fizyczne.
Pierwszy hadron odkryty w LHC (LHC), χb (3P), został odkryty przez ATLAS, a najnowszy to nowy podekscytowany piękny dziwny barion obserwowany przez CMS i cztery tetrakwarki odkryte przez LHCb.
Czytaj więcej
Fizycy stworzyli analogię czarnej dziury i potwierdzili teorię Hawkinga. Dokąd to prowadzi?
Aborcja i nauka: co stanie się z dziećmi, które będą rodzić
Budowany jest atomowy silnik rakietowy do lotów na Marsa. Jak to jest niebezpieczne?
Model standardowy jest konstrukcją teoretyczną w programiefizyka cząstek elementarnych, która opisuje elektromagnetyczne, słabe i silne oddziaływanie wszystkich cząstek elementarnych. Nowoczesne sformułowanie zostało ukończone w połowie lat 70. po eksperymentalnym potwierdzeniu istnienia kwarków.
Fermion to cząstka lub kwazicząstka o połowie całkowitej wartości spinu, czyli wewnętrznym momencie pędu cząstek elementarnych.