Câte particule noi au fost descoperite la Large Hadron Collider?
Cea mai faimoasă descoperire, desigur,
Ce sunt hadronii?
Deci, ce sunt acești 59 de hadroni noi?Să începem de la început: hadronii nu sunt particule elementare - fizicienii știu acest lucru din 1964, când Murray Gell-Mann și George Zweig au propus în mod independent ceea ce este cunoscut astăzi ca modelul quarkului. Ea a prezentat hadronii ca particule compuse, formate din noi tipuri de particule elementare - quarcuri.
Quarkii se nasc liberi, dar se găsesc doar legați ...
Frank Wilczek
Premiul Nobel pentru fizică pentru descoperirea libertății asimptotice în teoria interacțiunilor puternice, 2004
Termenul „hadron” în sine vine din greacă„Hadros” este puternic și reflectă proprietatea hadronilor de a participa la interacțiuni puternice. Acestea sunt interacțiuni fundamentale cu rază scurtă de acțiune care leagă quarks în interiorul nucleonilor și altor hadroni. Puterea acestei interacțiuni este mult superioară puterii celorlalte trei interacțiuni fundamentale - electromagnetice, slabe și gravitaționale.
O scurtă prezentare generală a diferitelor familii de particule elementare și compuse și teorii care descriu interacțiunile lor. Particulele elementare din stânga sunt fermioni, în dreapta sunt bosoni.
Hadronii sunt sisteme conexe de quark și antiquark. Există două tipuri de hadroni - barioni și mezoni.
- Barioni (sarcina barionică B = +1) — particule formate din trei quarci (qqq) și fiind fermioni (J = 1/2, 3/2, ...). Barionii includ, de exemplu, protonul și neutronul.
- Antibaryoni (B = -1) constau din trei antiquarks (). Antiprotonul și antineutronul aparțin grupului de antibarioni.
- Mesonii (B = 0), constând dintr-un quark și un antiquark (q), ocupă o poziție intermediară. Mesonii au un spin întreg și sunt bosoni (J = 0, 1, 2, ...)
La rândul lor, cuarcii sunt particule fundamentale în modelul standard. Au o sarcină electrică care este multiplu de e/3 și nu este observabilă în stare liberă.
Profesorul Murray Gell-Mann la ATLAS Cave în 2012. Gell-Mann a propus modelul de quark și numele „quark” în 1964 și a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1969. (Imagine: CERN)
Cum apar noi hadroni?
Dar la fel ca cercetătorii încădescoperi noi izotopi la 150 de ani după ce Mendeleev a creat tabelul periodic, cercetarea posibilelor stări compuse formate de quarci este încă o zonă activă a fizicii particulelor.
Motivul pentru aceasta constă în cromodinamica cuantică.sau QCD, o teorie care descrie interacțiunea puternică care ține quarks împreună în hadroni. Această interacțiune are mai multe caracteristici interesante, inclusiv faptul că puterea interacțiunii nu scade odată cu distanța. Acest lucru duce la o proprietate care interzice existența quarcurilor liberi în afara hadronilor - limitarea culorii. Astfel de trăsături fac această teorie foarte dificilă din punct de vedere matematic.
De fapt, până acum, limitarea culorii în sine nu a fost dovedită analitic. Și oamenii de știință încă nu au cum să prezică cu exactitate ce combinații de quarci ar putea forma hadroni.
Ce știm despre hadroni?
În anii 1960 erau deja cunoscute peste 100tipuri de hadroni. Au fost descoperite în experimente la acceleratoare și în experimente cu raze cosmice. Modelul de quarci le-a permis fizicienilor să descrie întreaga „grădină zoologică” ca stări diferite compuse de doar trei quarci diferiți: sus, jos și ciudat. Toți hadronii cunoscuți pot fi descriși fie ca fiind formați din trei quarci (formând barioni), fie ca perechi quarc-antiquarc (formând mezoni). Dar teoria a prezis și alte posibile aranjamente pentru quarci.
Deja în articolul original al lui Gell-Mann despre quarksÎn 1964, s-a considerat posibilă ideea particulelor care conțin mai mult de trei quark. Oamenii de știință de astăzi știu că astfel de particule există. Și totuși, au fost necesare câteva decenii pentru a confirma experimental primii hadroni sau tetraquarkuri și pentaquarkuri cu patru și cinci cuarci.
O listă completă cu 59 de noi hadroni descoperiți la LHC este prezentată în imaginea de mai jos.
O listă completă a noilor hadroni descoperiți la LHC,dezagregate după anul descoperirii (axa orizontală) și masa particulelor (axa verticală). Culorile și formele indică conținutul de quark al acestor stări. Credit: LHCb / CERN.
Unele dintre aceste particule sunt pentaquark, altele sunt tetraquark, iar altele sunt stări noi (excitate) ale barionilor și mezonilor cu energie superioară.
- Pentaquarkurile sunt un grup de compuși subatomiciparticule formate din cinci quarci. Existența lor a fost dovedită folosind Large Hadron Collider în iulie 2015. Sunt barioni, hadroni, fermioni, rezonanțe. Ele dau naștere unei direcții de cercetare în spectroscopie hadronică - fizica pentaquarcilor.
- Un tetraquark este o particulă elementară, un hadron, format din doi cuarci și doi antiquarci. Spinul unui tetraquark poate fi doar întreg, deci numai mezonii pot avea o structură de tetraquark.
- Barionii sunt o familie de particule elementare:fermioni care interacționează puternic constând din trei quarci. În 2015, s-a dovedit și existența unor particule similare de 5 quarci, numite pentaquarci. Principalii barioni includ (pe măsură ce masa crește): proton, neutron, barion lambda, hiperon sigma, hiperon xy, hiperon omega. Masa unui hiperon omega (3278 mase de electroni) este de aproape 1,8 ori masa unui proton.
- Meson este un hadron cu valoare zeronumărul barionului. În modelul standard, mezonii sunt particule elementare compuse compuse dintr-un număr egal de quark și antiquark. Mezonii includ pioni (π-mezoni), kaoni (K-mezoni) și alți mezoni mai grei.
Mezonii au fost prevăzuți inițial ca particule care poartă forța puternică și sunt responsabile pentru limitarea protonilor și neutronilor în nucleele atomice.
Toți mezonii sunt instabili.Datorită prezenței energiei de legare, masa unui mezon este de multe ori mai mare decât suma maselor quarcilor săi constitutivi. Barionii, împreună cu mezonii (aceștia din urmă constând dintr-un număr par de quarci), constituie un grup de particule elementare care participă la interacțiunea puternică și numite hadroni.
Descoperirea acestor noi particule împreună cu măsurătoriproprietățile lor oferă încă informații importante pentru testarea limitelor modelului cuarcului. La rândul său, acest lucru le permite cercetătorilor să-și aprofundeze înțelegerea forței puternice, să testeze predicțiile teoretice și să ajusteze modelele. Este de remarcat faptul că acest lucru este deosebit de important pentru cercetările efectuate la LHC. Faptul este că interacțiunea puternică este responsabilă pentru majoritatea a ceea ce se întâmplă atunci când hadronii se ciocnesc. Cu cât oamenii de știință înțeleg mai bine forța puternică, cu atât vor fi simulările mai precise ale acestor coliziuni. Ca urmare, șansele de a observa mici abateri de la așteptări care ar putea sugera posibile noi fenomene fizice vor crește.
Primul hadron descoperit la LHC (LHC), χb (3P), a fost descoperit de ATLAS, iar cel mai recent include un nou barion ciudat și excitat observat de CMS și patru tetraquark descoperiți de LHCb.
Citeste mai mult
Fizicienii au creat un analog al unei găuri negre și au confirmat teoria lui Hawking. Unde duce?
Avortul și știința: ce se va întâmpla cu copiii care vor naște
Un motor rachetă nucleară este construit pentru zborurile către Marte. Cum este periculos?
Modelul standard este o construcție teoretică înfizica particulelor elementare, care descrie interacțiunile electromagnetice, slabe și puternice ale tuturor particulelor elementare. Formularea modernă a fost finalizată la mijlocul anilor 70, după confirmarea experimentală a existenței quark-urilor.
Un fermion este o particulă sau cvasiparticulă cu o valoare de spin de jumătate întreg, momentul unghiular intrinsec al particulelor elementare.