มีการค้นพบอนุภาคใหม่จำนวนเท่าใดที่ Large Hadron Collider?
แน่นอนว่าการค้นพบที่โด่งดังที่สุดก็คือ
แฮดรอนคืออะไร?
แฮดรอนใหม่ 59 ตัวนี้คืออะไร?มาเริ่มกันที่จุดเริ่มต้น: แฮดรอนไม่ใช่อนุภาคมูลฐานนักฟิสิกส์รู้จักสิ่งนี้ตั้งแต่ปี 2507 เมื่อ Murray Gell-Mann และ George Zweig เสนอสิ่งที่เรียกว่าแบบจำลองควาร์กอย่างอิสระในปัจจุบัน เธอนำเสนอแฮดรอนเป็นอนุภาคสารประกอบซึ่งประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานชนิดใหม่ - ควาร์ก
ควาร์กเกิดมาฟรี แต่พบเพียงความผูกพัน ...
แฟรงค์ วิลเชค
ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากการค้นพบเสรีภาพแบบไม่แสดงอาการในทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง พ.ศ. 2547
คำว่า "hadron" มาจากภาษากรีก“ Hadros” มีความแข็งแกร่งและสะท้อนถึงคุณสมบัติของแฮดรอนในการมีส่วนร่วมในปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง นี่คือปฏิสัมพันธ์พื้นฐานระยะสั้นที่ผูกควาร์กภายในนิวคลีออนและแฮดรอนอื่น ๆ ความแรงของปฏิสัมพันธ์นี้เหนือกว่าความแรงของปฏิสัมพันธ์พื้นฐานอีกสามอย่างคือแม่เหล็กไฟฟ้าความอ่อนแอและความโน้มถ่วง
ภาพรวมคร่าวๆของกลุ่มต่างๆของอนุภาคมูลฐานและอนุภาคและทฤษฎีที่อธิบายถึงปฏิสัมพันธ์ อนุภาคมูลฐานทางซ้ายคือเฟอร์มิออนทางขวาคือโบซอน
Hadrons เป็นระบบที่เกี่ยวข้องกับควาร์กและโบราณวัตถุ แฮดรอนมีสองประเภทคือแบริออนและเมสัน
- แบริออน (ประจุแบริออน B = +1) — อนุภาคที่ประกอบด้วยสามควาร์ก (qqq) และเฟอร์มิออน (J = 1/2, 3/2, ...) แบริออนได้แก่ โปรตอนและนิวตรอน
- Antibaryons (B = -1) ประกอบด้วยสาม antiquarks () Antiproton และ antineutron อยู่ในกลุ่มแอนติบอดี
- เมสัน (B = 0) ประกอบด้วยควาร์กและแอนติควาร์ก (q) ครองตำแหน่งกลาง เมสันมีสปินจำนวนเต็มและเป็นโบซอน (J = 0, 1, 2, ... )
ในทางกลับกัน ควาร์กก็เป็นอนุภาคพื้นฐานในแบบจำลองมาตรฐาน พวกมันมีประจุไฟฟ้าที่เป็นจำนวนเท่าของ e/3 และไม่สามารถสังเกตได้ในสถานะอิสระ
ศาสตราจารย์ Murray Gell-Mann ที่ถ้ำ ATLAS ในปี 2555 Gell-Mann เสนอแบบจำลองควาร์กและชื่อ "ควาร์ก" ในปี พ.ศ. 2507 และได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2512 (ภาพ: CERN)
ฮาดรอนใหม่ปรากฏขึ้นได้อย่างไร?
แต่ในขณะที่นักวิจัยยังคงค้นพบไอโซโทปใหม่ 150 ปีหลังจากที่ Mendeleev สร้างตารางธาตุ การวิจัยเกี่ยวกับสถานะของสารประกอบที่เป็นไปได้ที่เกิดจากควาร์กยังคงเป็นพื้นที่ใช้งานของฟิสิกส์อนุภาค
เหตุผลนี้อยู่ในโครโมโซมควอนตัมหรือ QCD ซึ่งเป็นทฤษฎีที่อธิบายถึงปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งที่ยึดควาร์กไว้ด้วยกันภายในแฮดรอน การโต้ตอบนี้มีคุณสมบัติที่น่าสนใจหลายประการรวมถึงความแข็งแกร่งของการโต้ตอบไม่ได้ลดลงตามระยะทาง สิ่งนี้นำไปสู่คุณสมบัติที่ห้ามการมีอยู่ของควาร์กอิสระนอกแฮดรอน - การ จำกัด สี คุณลักษณะดังกล่าวทำให้ทฤษฎีนี้ยากมากจากมุมมองทางคณิตศาสตร์
ในความเป็นจริง จนถึงขณะนี้ ข้อจำกัดของสีนั้นไม่ได้รับการพิสูจน์ในเชิงวิเคราะห์ และนักวิทยาศาสตร์ยังไม่มีวิธีที่จะทำนายได้อย่างแม่นยำว่าควาร์กชนิดใดที่รวมกันอาจก่อให้เกิดฮาดรอนได้
เรารู้อะไรบ้างเกี่ยวกับแฮดรอน?
ย้อนกลับไปในทศวรรษ 1960 มีผู้รู้จักมากกว่า 100 รายแล้วประเภทของแฮดรอน พวกมันถูกค้นพบในการทดลองที่เครื่องเร่งความเร็วและในการทดลองกับรังสีคอสมิก แบบจำลองควาร์กช่วยให้นักฟิสิกส์สามารถอธิบาย "สวนสัตว์" ทั้งหมดเป็นสถานะประกอบที่แตกต่างกันของควาร์กที่แตกต่างกันเพียงสามตัว: ขึ้น ลง และแปลก ฮาดรอนที่รู้จักทั้งหมดสามารถอธิบายได้ว่าประกอบด้วยควาร์กสามตัว (ก่อตัวเป็นแบริออน) หรือคู่ควาร์ก-แอนติควาร์ก (สร้างมีซอน) แต่ทฤษฎีนี้ยังทำนายการจัดเตรียมควาร์กอื่นๆ ที่เป็นไปได้อีกด้วย
อยู่ในกระดาษต้นฉบับของ Gell-Mann เรื่องควาร์กแล้วในปีพ. ศ. 2507 แนวคิดเรื่องอนุภาคที่มีควาร์กมากกว่าสามควาร์กถือได้ว่าเป็นไปได้ นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันรู้ว่าอนุภาคดังกล่าวมีอยู่จริง และถึงกระนั้นก็ต้องใช้เวลาหลายสิบปีในการทดลองเพื่อยืนยันแฮดรอนสี่และห้าควาร์กแรกหรือเตตระควาร์กและเพนตาควาร์ก
รายชื่อแฮดรอนใหม่ 59 ตัวที่ค้นพบที่ LHC แสดงอยู่ในภาพด้านล่าง
รายการแฮดรอนใหม่ทั้งหมดที่ค้นพบที่ LHCแยกตามปีที่ค้นพบ (แกนนอน) และมวลอนุภาค (แกนตั้ง) สีและรูปร่างบ่งบอกถึงเนื้อหาควาร์กของสถานะเหล่านี้ เครดิต: LHCb / CERN
อนุภาคเหล่านี้บางส่วนเป็น pentaquarks บางส่วนเป็น tetraquarks และบางส่วนเป็นสถานะใหม่ (ตื่นเต้น) ของ baryons และ mesons ที่มีพลังงานสูงกว่า
- Pentaquarks เป็นกลุ่มของสารประกอบย่อยของอะตอมอนุภาคที่ประกอบด้วยห้าควาร์ก การดำรงอยู่ของพวกมันได้รับการพิสูจน์โดยใช้เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2558 พวกมันคือแบริออน ฮาดรอน เฟอร์มิออน เสียงสะท้อน พวกมันก่อให้เกิดทิศทางของการวิจัยในแฮดรอนสเปกโทรสโกปี - ฟิสิกส์ของเพนทาควาร์ก
- เตตราควาร์กเป็นอนุภาคมูลฐานที่เรียกว่าแฮดรอน ซึ่งประกอบไปด้วยควาร์ก 2 ตัวและแอนติควาร์ก 2 ตัว การหมุนของเตตราควาร์กต้องเป็นจำนวนเต็มเท่านั้น ดังนั้น มีเพียงมีซอนเท่านั้นที่สามารถมีโครงสร้างเตตราควาร์กได้
- Baryons เป็นตระกูลของอนุภาคมูลฐาน:เฟอร์มิออนที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรงประกอบด้วยควาร์กสามตัว ในปี 2558 มีการพิสูจน์การมีอยู่ของอนุภาคที่คล้ายกันของควาร์ก 5 ตัวที่เรียกว่าเพนตะควาร์ก แบริออนหลัก ได้แก่ (เมื่อมวลเพิ่มขึ้น): โปรตอน, นิวตรอน, แลมบ์ดาแบริออน, ซิกมาไฮเปอร์รอน, ไซไฮเปอร์รอน, โอเมก้าไฮเปอร์รอน มวลของโอเมก้าไฮเปอร์รอน (มวลอิเล็กตรอน 3,278 มวล) มีค่าเกือบ 1.8 เท่าของมวลโปรตอน
- Meson เป็นแฮดรอนที่มีค่าเป็นศูนย์หมายเลข baryon ในแบบจำลองมาตรฐาน mesons เป็นอนุภาคมูลฐานผสมที่ประกอบด้วยควาร์กและแอนติควาร์กจำนวนเท่ากัน เมสัน ได้แก่ pions (π-mesons) kaons (K-mesons) และ mesons อื่น ๆ ที่หนักกว่า
เดิมมีสันถูกทำนายว่าเป็นอนุภาคที่มีกำลังอย่างแรงและมีหน้าที่กักโปรตอนและนิวตรอนไว้ในนิวเคลียสของอะตอม
มีซอนทั้งหมดไม่เสถียรเนื่องจากการมีอยู่ของพลังงานยึดเหนี่ยว มวลของมีซอนจึงมากกว่าผลรวมของมวลของควาร์กที่เป็นส่วนประกอบหลายเท่า แบริออนร่วมกับมีซอน (อย่างหลังประกอบด้วยควาร์กจำนวนคู่) ประกอบกันเป็นกลุ่มของอนุภาคมูลฐานที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยารุนแรงและเรียกว่าฮาดรอน
การค้นพบอนุภาคใหม่เหล่านี้ควบคู่ไปกับการตรวจวัดคุณสมบัติของพวกเขายังคงให้ข้อมูลที่สำคัญสำหรับการทดสอบขอบเขตของแบบจำลองควาร์ก ในทางกลับกัน สิ่งนี้ช่วยให้นักวิจัยเข้าใจพลังที่แข็งแกร่งมากขึ้น ทดสอบการทำนายทางทฤษฎี และปรับแต่งโมเดลอย่างละเอียด เป็นที่น่าสังเกตว่าสิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการวิจัยที่ดำเนินการที่ LHC ความจริงก็คือปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงนั้นเป็นสาเหตุส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นเมื่อฮาดรอนชนกัน ยิ่งนักวิทยาศาสตร์เข้าใจพลังที่แข็งแกร่งมากขึ้นเท่าใด การจำลองการชนเหล่านี้ก็ยิ่งแม่นยำมากขึ้นเท่านั้น เป็นผลให้โอกาสในการเห็นความเบี่ยงเบนเล็กน้อยจากความคาดหวังที่อาจบ่งบอกถึงปรากฏการณ์ทางกายภาพใหม่ ๆ ที่เป็นไปได้จะเพิ่มขึ้น
แฮดรอนตัวแรกที่ค้นพบที่ LHC (LHC), χb (3P) ถูกค้นพบโดย ATLAS และล่าสุด ได้แก่ แบริออนแปลก ๆ ที่สวยงามน่าตื่นเต้นที่ CMS พบและสี่ tetraquarks ที่ LHCb ค้นพบ
อ่านเพิ่มเติม
นักฟิสิกส์ได้สร้างอะนาล็อกของหลุมดำและยืนยันทฤษฎีของ Hawking นำไปสู่ที่ไหน?
การทำแท้งกับวิทยาศาสตร์: จะเกิดอะไรขึ้นกับเด็กที่จะคลอด
กำลังสร้างเครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์สำหรับเที่ยวบินไปยังดาวอังคาร อันตรายอย่างไร?
แบบจำลองมาตรฐานคือโครงสร้างทางทฤษฎีในฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐานซึ่งอธิบายถึงแม่เหล็กไฟฟ้าปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอและแข็งแกร่งของอนุภาคมูลฐานทั้งหมด สูตรที่ทันสมัยเสร็จสมบูรณ์ในกลางทศวรรษที่ 70 หลังจากการทดลองยืนยันการมีอยู่ของควาร์ก
เฟอร์มิออนคืออนุภาคหรืออนุภาคควาซิพติเคิลที่มีค่าการหมุนของจำนวนครึ่งจำนวนเต็ม ซึ่งเป็นโมเมนตัมเชิงมุมภายในของอนุภาคมูลฐาน