Koľko nových častíc bolo objavených vo Veľkom hadrónovom urýchľovači?
Najznámejší objav, samozrejme,
Čo sú hadróny?
Čo je teda týchto 59 nových hadrónov?Začnime od začiatku: hadróny nie sú elementárne častice - fyzici to vedia od roku 1964, kedy Murray Gell -Mann a George Zweig nezávisle navrhli to, čo je dnes známe ako kvarkový model. Hadróny predstavila ako zložené častice, pozostávajúce z nových typov elementárnych častíc - kvarkov.
Kvarky sa rodia zadarmo, ale nachádzajú sa iba zviazané ...
Frank Wilczek
Laureát Nobelovej ceny za fyziku za objav asymptotickej slobody v teórii silných interakcií, 2004
Samotný výraz „hadrón“ pochádza z gréčtiny„Hadros“ je silný a odráža vlastnosť hadrónov zúčastňovať sa silných interakcií. Ide o základné interakcie krátkeho dosahu, ktoré viažu kvarky vo vnútri nukleónov a iných hadrónov. Sila tejto interakcie je oveľa lepšia ako sila ostatných troch základných interakcií - elektromagnetických, slabých a gravitačných.
Stručný prehľad rôznych skupín elementárnych a zložených častíc a teórií popisujúcich ich interakcie. Elementárne častice vľavo sú fermióny, vpravo sú bozóny.
Hadróny sú príbuzné systémy kvarkov a antikvarkov. Existujú dva druhy hadrónov - baryóny a mezóny.
- Baryóny (baryónový náboj B = +1) — častice pozostávajúce z troch kvarkov (qqq) a sú to fermióny (J = 1/2, 3/2, ...). Medzi baryóny patrí napríklad protón a neutrón.
- Antibaryóny (B = -1) pozostávajú z troch antikvarkov (). Antiproton a antineutron patria do skupiny antibaryónov.
- Mezóny (B = 0), ktoré sa skladajú z kvarku a antikvarku (q), zaujímajú medzipolohu. Mezóny majú celé číslo a sú to bozóny (J = 0, 1, 2, ...)
Kvarky sú zase základnými časticami v štandardnom modeli. Majú elektrický náboj, ktorý je násobkom e/3 a nie je pozorovateľný vo voľnom stave.
Profesor Murray Gell-Mann v jaskyni ATLAS v roku 2012. Gell-Mann navrhol model kvarku a názov „kvark“ v roku 1964 a v roku 1969 získal Nobelovu cenu za fyziku. (Obrázok: CERN)
Ako sa objavujú nové hadróny?
Ale rovnako ako výskumníci stáleobjavte nové izotopy 150 rokov po tom, čo Mendelejev vytvoril periodickú tabuľku, výskum možných zložených stavov tvorených kvarkami je stále aktívnou oblasťou časticovej fyziky.
Dôvodom je kvantová chromodynamika.alebo QCD, teória opisujúca silnú interakciu, ktorá drží kvarky pohromade vo vnútri hadrónov. Táto interakcia má niekoľko zaujímavých vlastností, vrátane skutočnosti, že sila interakcie neklesá so vzdialenosťou. To vedie k vlastnosti, ktorá zakazuje existenciu voľných kvarkov mimo hadrónov - obmedzenie farby. Takéto vlastnosti robia túto teóriu z matematického hľadiska veľmi ťažkou.
V skutočnosti až doteraz nebolo analyticky dokázané samotné obmedzenie farby. A vedci stále nemajú spôsob, ako presne predpovedať, aké kombinácie kvarkov môžu tvoriť hadróny.
Čo vieme o hadrónoch?
V 60. rokoch ich bolo už viac ako 100 známychtypy hadrónov. Boli objavené pri pokusoch na urýchľovačoch a pri pokusoch s kozmickým žiarením. Kvarkový model umožnil fyzikom opísať celú „zoo“ ako rôzne zložené stavy iba troch rôznych kvarkov: hore, dole a zvláštne. Všetky známe hadróny možno opísať ako pozostávajúce buď z troch kvarkov (tvoriacich baryóny), alebo ako páry kvark-antikvark (tvoriace mezóny). Teória však predpovedala aj iné možné usporiadanie kvarkov.
Už v pôvodnom článku Gell-Manna o kvarkochV roku 1964 sa myšlienka častíc obsahujúcich viac ako tri kvarky považovala za možnú. Vedci dnes vedia, že také častice existujú. A napriek tomu trvalo niekoľko desaťročí, kým sa experimentálne potvrdili prvé štvor- a päťkvarkové hadróny alebo tetrakvarky a pentaquarky.
Kompletný zoznam 59 nových hadrónov objavených v LHC je uvedený na obrázku nižšie.
Kompletný zoznam nových hadrónov objavených v LHC,rozdelené podľa roku objavu (horizontálna os) a hmotnosti častíc (vertikálna os). Farby a tvary naznačujú obsah kvarku týchto stavov. Kredit: LHCb / CERN.
Niektoré z týchto častíc sú pentaquark, niektoré sú tetraquark a niektoré sú novými (excitovanými) stavmi baryónov a mezónov s vyššou energiou.
- Pentakvarky sú skupinou zložených subatomárnychčastice pozostávajúce z piatich kvarkov. Ich existencia bola preukázaná pomocou Large Hadron Collider v júli 2015. Sú to baryóny, hadróny, fermióny, rezonancie. Z nich vychádza smer výskumu hadrónovej spektroskopie – fyzika pentakvarkov.
- Tetrakvark je elementárna častica, hadrón, pozostávajúca z dvoch kvarkov a dvoch antikvarkov. Spin tetrakvarku môže byť iba celé číslo, takže iba mezóny môžu mať štruktúru tetrakvarku.
- Baryóny sú rodina elementárnych častíc:silne interagujúce fermióny pozostávajúce z troch kvarkov. V roku 2015 bola dokázaná aj existencia podobných častíc 5 kvarkov, nazývaných pentakvarky. Medzi hlavné baryóny patria (s nárastom hmotnosti): protón, neutrón, lambda baryón, sigma hyperón, xy hyperón, omega hyperón. Hmotnosť hyperónu omega (3278 hmotností elektrónov) je takmer 1,8-násobok hmotnosti protónu.
- Meson je hadrón s nulovou hodnotoubaryónové číslo. V štandardnom modeli sú mezóny zloženými elementárnymi časticami zloženými z rovnakého počtu kvarkov a antikvarkov. Medzi mezóny patria ióny (π-mezóny), kaóny (K-mezóny) a ďalšie, ťažšie mezóny.
Mezóny boli pôvodne predpovedané ako častice, ktoré nesú silnú silu a sú zodpovedné za obmedzenie protónov a neutrónov v atómových jadrách.
Všetky mezóny sú nestabilné.V dôsledku prítomnosti väzbovej energie je hmotnosť mezónu mnohonásobne väčšia ako súčet hmotností kvarkov, ktoré ho tvoria. Baryóny spolu s mezónmi (posledné pozostávajú z párneho počtu kvarkov) tvoria skupinu elementárnych častíc, ktoré sa zúčastňujú silnej interakcie a nazývajú sa hadróny.
Objav týchto nových častíc spolu s meraniamiich vlastnosti stále poskytujú dôležité informácie pre testovanie hraníc kvarkového modelu. To zase umožňuje výskumníkom prehĺbiť svoje chápanie silnej sily, testovať teoretické predpovede a dolaďovať modely. Stojí za zmienku, že je to dôležité najmä pre výskum vykonávaný na LHC. Faktom je, že silná interakcia je zodpovedná za väčšinu toho, čo sa stane, keď sa hadróny zrazia. Čím lepšie vedci pochopia silnú silu, tým presnejšie budú simulácie týchto zrážok. V dôsledku toho sa zvýši šanca vidieť malé odchýlky od očakávaní, ktoré môžu naznačovať možné nové fyzikálne javy.
Prvý hadrón objavený na LHC (LHC), χb (3P), bol objavený spoločnosťou ATLAS a medzi najnovšie patrí nový vzrušený nádherný podivný baryón pozorovaný CMS a štyri tetrakvarky objavené LHCb.
Čítaj viac
Fyzici vytvorili analóg čiernej diery a potvrdili Hawkingovu teóriu. Kadiaľ vedie?
Potraty a veda: čo sa stane s deťmi, ktoré budú rodiť
Pre lety na Mars sa stavia jadrový raketový motor. Ako je to nebezpečné?
Štandardný model je teoretická konštrukcia vfyzika elementárnych častíc, ktorá popisuje elektromagnetické, slabé a silné interakcie všetkých elementárnych častíc. Moderná formulácia bola dokončená v polovici 70. rokov po experimentálnom potvrdení existencie kvarkov.
Fermión je častica alebo kvázičastica s polovičnou celočíselnou spinovou hodnotou, vnútorným momentom hybnosti elementárnych častíc.