Beviser for 'kvarksammensmeltning' fundet i LHC-kollisioner – Physics World

Beviser for 'kvarksammensmeltning' fundet i LHC-kollisioner – Physics World

Tidsstempel: 6. marts 2024 kl. 10:31


LHCb på CERN
Quark coalescer: LHCb-eksperimentet blev opgraderet for flere år siden. (Med høflighed: Maximilien Brice/CERN)

Fysikere, der arbejder på LHCb-eksperimentet, har set beviser for, at "kvarksammensmeltning" spiller en rolle i udviklingen af ​​kvarker til hadroner efter protonkollisioner ved Large Hadron Collider (LHC). Denne mekanisme, som oprindeligt blev foreslået i 1980'erne, har eksisterende kvarker med overlappende bølgefunktioner, der kombinerer i stedet for at skabe nye kvarker. Det er mest udtalt ved lavt tværgående momenta og slukker gradvist, efterhånden som kvarker flygter hurtigt fra kollisionspunktet.

Kvarker er de partikler, der udgør protonerne og neutronerne inde i atomkerner og talrige andre hadroner (tunge partikler), der mærker den stærke vekselvirkning. Et af deres mærkeligste træk er, at de aldrig kan observeres isoleret. Hovedårsagen er, at i modsætning til tyngdekraften, elektromagnetismen og den svage vekselvirkning, som alle falder i styrke med afstanden, vokser effekten af ​​den stærke vekselvirkning, efterhånden som bundne kvarker bevæger sig længere fra hinanden. Hvis kvarkerne er tilstrækkeligt langt fra hinanden, indeholder gluonfeltet, der medierer den stærke interaktion, energi nok til at skabe partikel-antipartikel-par. Disse binder sig til de originale kvarker og skaber nye bundne partikler, der enten kan være mesoner (kombinationer af en kvark og en antikvark) eller baryoner (bestående af tre kvarker). Denne proces kaldes fragmentering.

Eksperimenter med kraftige ionkollisioner har antydet, at dette ikke er hele historien. Fysikere mener, at kvarker også kan kombineres i det tætte kvark-gluon-plasma, der dannes ved at smadre disse store partikler sammen i en proces, der kaldes sammensmeltning.

"Du har en kollision, du laver en flok kvark-antikvark-par, der begynder at bevæge sig væk fra hinanden, og på grund af bølge-partikel-dualitet har hver partikel en bølgelængde, der på en måde fortæller dig, hvor stor den er," forklarer Matt Durham fra Los Alamos National Laboratory i USA, som er medlem af LHCb-samarbejdet.

Eksisterende kvarker kombineres

”Hvis du har tre kvarker, der overlapper hinanden, fryser du dem sammen til en baryon; hvis du har to kvarker, der overlapper hinanden, fryser du dem sammen til en meson; hvis du har en kvark, der ikke overlapper med nogen andre, skal den fragmenteres,” forklarer Durham. ”Så sammensmeltning tager kvarker, der er produceret ved kollisionen, og sætter dem sammen; fragmentering kræver, at du laver nye kvarker ud af vakuumet."

Sammensmeltning i tunge ionkollisioner er blevet "generelt accepteret", siger Durham, fordi det ellers er svært at forklare forholdet mellem protoner og pioner produceret i eksperimenter. Tunge ionkollisioner er dog rodet, og teoretiske forudsigelser er uundgåeligt upræcise. I den nye forskning studerede LHCb-holdet produktionen af ​​b-kvarker i proton-proton-kollisioner. Nogle gange kaldet bund- eller skønhedskvarken, er b-kvarken den næstmest massive kvark i partikelfysikkens standardmodel.

Produktionen af ​​b-kvarker er næsten sikker på at producere enten en b-lambda-baryon eller en B0 meson, som begge indeholder ab kvark. Produktionsforholdet mellem disse to er blevet grundigt undersøgt i eksperimenter, hvor b-kvarken produceres ved elektron-positron-kollisioner - en proces, der kun kan føre til fragmentering. "Hvis du kun har fragmentering, bør dette forhold være universelt," siger Durham.

LHCb-holdet gennemgik flere års data om proton-proton-kollisioner og studerede henfaldsprodukterne fra kollisioner, der havde produceret b-kvarker. For kollisioner med høje tværgående momenta i forhold til de kolliderende stråler og få andre udgående partikler detekteret på samme tid, var baryon-til-meson-forholdet omtrent lig med forholdet i elektron-positron-eksperimenter.

Flere baryoner

Men efterhånden som det tværgående momenta faldt og antallet af andre påviste partikler voksede samtidigt, steg andelen af ​​baryoner gradvist i forhold til andelen af ​​mesoner. Dette, konkluderede forskerne, var et klart bevis på, at en anden proces, der var mere tilbøjelig til at producere baryoner, var på arbejde i disse kollisioner. I dette scenarie er b-kvarken omgivet af andre kvarker – men blev i stigende grad misfordelt, da den producerede kvark var mere adskilt fra de andre partikler. "Du har virkelig brug for sammensmeltning for at forklare det," siger Durham, som tilføjer, "jeg synes, vi har vist det helt endegyldigt her".

"Jeg finder bestemt dataene overbevisende," siger teoretiker Ralf Rapp fra Texas A&M University; »Der har tidligere været en afbrydelse mellem meget små systemer – det ekstreme er elektron-positron, hvor man kun har ét kvark-antikvark-par – og de tunge ionsystemer, hvor man har tusindvis af kvarker. Den måde, de virkelig gør deres pointe på, er systematisk at vise, hvordan effekten forsvinder og genopretter elektron-positron-grænsen som funktion af, hvor mange hadroner, der observeres, hvilket er en observerbar måling af, hvor mange kvarker og antikvarker, der er at smelte sammen med."

Eksperimentel Anselm Vossen fra Duke University i North Carolina er enig i, at arbejdet er "meget flot", men bemærker, at de underliggende antagelser, der bruges til at beregne fragmenteringsbrøkerne, involverer, at kvarkerne isoleres, så det er måske ikke overraskende, at de giver forkerte resultater ved lavt tværgående momenta, når dette er ikke tilfældet. "Alle disse er modeller," siger han. "Det er meget antydende, at hvis du bruger noget i koalescensmodellen, virker det, men det betyder ikke, at det er 'sandheden'"

Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden