Hur många nya partiklar har upptäckts vid Large Hadron Collider?
Den mest kända upptäckten, naturligtvis,
Vad är hadroner?
Så vad är dessa 59 nya hadroner?Låt oss börja från början: hadroner är inte elementära partiklar - fysiker har känt detta sedan 1964, då Murray Gell-Mann och George Zweig självständigt föreslog det som idag kallas kvarkmodellen. Hon presenterade hadroner som sammansatta partiklar, bestående av nya typer av elementära partiklar - kvarker.
Quarks är födda fria, men de finns bara bundna ...
Frank Wilczek
Nobelprispristagaren i fysik för upptäckten av asymptotisk frihet i teorin om starka interaktioner, 2004
Uttrycket "hadron" i sig kommer från grekiska"Hadros" är starkt och speglar hadronernas egendom för att delta i starka interaktioner. Dessa är grundläggande interaktioner med kort räckvidd som binder kvarker i nukleoner och andra hadroner. Styrkan i denna interaktion är mycket överlägsen styrkan i de andra tre grundläggande interaktionerna - elektromagnetisk, svag och gravitationell.
En kort översikt över de olika familjerna av elementära och sammansatta partiklar och teorier som beskriver deras interaktioner. Elementära partiklar till vänster är fermioner, till höger är bosoner.
Hadroner är relaterade system för kvarkar och antikvarker. Det finns två typer av hadroner - baryoner och mesoner.
- Baryons (baryonladdning B = +1) — partiklar som består av tre kvarkar (qqq) och är fermioner (J = 1/2, 3/2, ...). Baryoner inkluderar till exempel protonen och neutronen.
- Antibaryoner (B = -1) består av tre antikvarker (). Antiproton och antineutron tillhör gruppen antibaryoner.
- Mesoner (B = 0), bestående av en kvark och en antikvark (q), intar en mellanposition. Mesoner har ett heltal snurr och är bosoner (J = 0, 1, 2, ...)
I sin tur är kvarkar grundläggande partiklar i standardmodellen. De har en elektrisk laddning som är en multipel av e/3 och är inte observerbar i fritt tillstånd.
Professor Murray Gell-Mann vid ATLAS Cave 2012. Gell-Mann föreslog kvarkmodellen och namnet "kvark" 1964 och fick Nobelpriset i fysik 1969. (Bild: CERN)
Hur visas nya hadroner?
Men precis som forskare fortfarandeupptäck nya isotoper 150 år efter att Mendeleev skapade det periodiska systemet, är forskning om möjliga sammansatta tillstånd som bildas av kvarkar fortfarande ett aktivt område inom partikelfysik.
Anledningen till detta ligger i kvantkromodynamik.eller QCD, en teori som beskriver den starka interaktionen som håller kvar kvarkar i hadroner. Denna interaktion har flera intressanta funktioner, inklusive det faktum att styrkan i interaktionen inte minskar med avståndet. Detta leder till en egendom som förbjuder förekomsten av fria kvarker utanför hadroner - färgbegränsning. Sådana funktioner gör denna teori mycket svår ur matematisk synvinkel.
Faktum är att fram till nu har färgbegränsningen i sig inte bevisats analytiskt. Och forskare har fortfarande inget sätt att exakt förutsäga vilka kombinationer av kvarkar som kan bilda hadroner.
Vad vet vi om hadroner?
Redan på 1960-talet var det mer än 100 kändatyper av hadroner. De upptäcktes i experiment med acceleratorer och i experiment med kosmiska strålar. Kvarkmodellen gjorde det möjligt för fysiker att beskriva hela "zoo" som olika sammansatta tillstånd av bara tre olika kvarkar: upp, ner och konstigt. Alla kända hadroner kan beskrivas som antingen bestående av tre kvarkar (bildar baryoner) eller som kvark-antikvarkpar (bildar mesoner). Men teorin förutspådde också andra möjliga arrangemang för kvarkar.
Redan i Gell-Manns ursprungliga artikel om kvarkar1964 ansågs idén om partiklar som innehöll mer än tre kvarker vara möjlig. Forskare idag vet att sådana partiklar finns. Och ändå tog det flera decennier att experimentellt bekräfta de första fyr- och femkvarkshadronerna eller tetrakvarkerna och pentaquarkerna.
En komplett lista över 59 nya hadroner upptäckta vid LHC visas i bilden nedan.
En komplett lista över nya hadroner upptäckta vid LHC,uppdelat efter upptäcktsår (horisontell axel) och partikelmassa (vertikal axel). Färger och former anger kvarkinnehållet i dessa tillstånd. Upphovsman: LHCb / CERN.
Några av dessa partiklar är pentaquarks, andra är tetraquarks, och vissa är nya (upphetsade) tillstånd med högre energi baryoner och mesoner.
- Pentaquarks är en grupp av sammansatta subatomärapartiklar som består av fem kvarkar. Deras existens bevisades med hjälp av Large Hadron Collider i juli 2015. De är baryoner, hadroner, fermioner, resonanser. De ger upphov till en forskningsriktning inom hadronspektroskopi - pentaquarks fysik.
- En tetrakvark är en elementarpartikel, en hadron, bestående av två kvarkar och två antikvarkar. Spinn av en tetraquark kan bara vara heltal, så endast mesoner kan ha en tetraquark struktur.
- Baryoner är en familj av elementarpartiklar:starkt interagerande fermioner bestående av tre kvarkar. År 2015 bevisades också förekomsten av liknande partiklar av 5 kvarkar, kallade pentakvarkar. De viktigaste baryonerna inkluderar (när massan ökar): proton, neutron, lambda baryon, sigma hyperon, xy hyperon, omega hyperon. Massan av en omega hyperon (3278 elektronmassor) är nästan 1,8 gånger massan av en proton.
- Meson är en hadron med nollvärdebaryon nummer. I standardmodellen är mesoner sammansatta elementära partiklar som består av lika stort antal kvarkar och antikvarker. Mesoner inkluderar pioner (π-mesoner), kaoner (K-mesoner) och andra, tyngre mesoner.
Mesoner förutspåddes ursprungligen som partiklar som bär den starka kraften och är ansvariga för att begränsa protoner och neutroner i atomkärnor.
Alla mesoner är instabila.På grund av närvaron av bindningsenergi är massan av en meson många gånger större än summan av massorna av dess ingående kvarkar. Baryoner utgör tillsammans med mesoner (de senare bestående av ett jämnt antal kvarkar) en grupp elementarpartiklar som deltar i den starka växelverkan och kallas hadroner.
Upptäckten av dessa nya partiklar tillsammans med mätningarderas egenskaper ger fortfarande viktig information för att testa kvarkmodellens gränser. Detta gör i sin tur att forskare kan fördjupa sin förståelse av den starka kraften, testa teoretiska förutsägelser och finjustera modeller. Det är värt att notera att detta är särskilt viktigt för forskning som bedrivs vid LHC. Faktum är att den starka interaktionen är ansvarig för det mesta som händer när hadroner kolliderar. Ju bättre forskarna förstår den starka kraften, desto mer exakta simuleringar blir dessa kollisioner. Som ett resultat kommer chanserna att se små avvikelser från förväntningarna som kan antyda möjliga nya fysiska fenomen öka.
Den första hadronen som upptäcktes vid LHC (LHC), χb (3P), upptäcktes av ATLAS, och den senaste inkluderar en ny upphetsad vacker konstig baryon observerad av CMS och fyra tetraquarks upptäckta av LHCb.
Läs mer
Fysiker har skapat en analog av ett svart hål och bekräftat Hawkings teori. Vart leder det?
Abort och vetenskap: vad kommer att hända med barnen som kommer att föda
En kärnkraftsmotor byggs för flygningar till Mars. Hur är det farligt?
Standardmodellen är en teoretisk konstruktion ifysik hos elementära partiklar, som beskriver de elektromagnetiska, svaga och starka interaktionerna mellan alla elementära partiklar. Den moderna formuleringen slutfördes i mitten av 70-talet efter den experimentella bekräftelsen av förekomsten av kvarker.
En fermion är en partikel eller kvasipartikel med ett halvheltalsvärde av spin, det inneboende vinkelmomentet för elementarpartiklar.