Observation af mærkeligt stof peger på eksistensen af ​​diquarks i baryoner - Physics World

Observation af mærkeligt stof peger på eksistensen af ​​diquarks i baryoner - Physics World

Tidsstempel: 15. maj 2023 kl. 12

CEBAF
Overraskende observation: beviser for lambda baryoner og involvering af diquarks i deres produktion er blevet set i data taget på Jefferson Labs CEBAF Large Acceptance Spectrometer. (Med høflighed: DOE/Jefferson Lab)

Omfattende analyse af data indsamlet for næsten 20 år siden har ført til en overraskende opdagelse: at mærkeligt stof kan dannes, når en enkelt foton absorberes samtidigt af to kvarker. Forskningen blev ledet af Lamiaa El Fassi ved Mississippi State University og stiller grundlæggende spørgsmål om karakteren af ​​den stærke atomkraft.

Mærkelige stofpartikler kaldet lambda baryoner indeholder en hver af en op, ned og mærkelig kvark. Deres kvarksammensætning betyder, at disse partikler er et særligt tiltalende mål for fysikere, der studerer den stærke vekselvirkning - den grundlæggende kraft, der binder kvarker sammen.

Alligevel på grund af deres flygtige levetid kan lambda-baryoner ikke observeres direkte. I stedet kan forskere identificere dem ved at opdage deres henfaldsprodukter. Disse er en pion, og enten en proton eller en neutron.

Eksotiske baryoner

I 2004 blev forsøg på Kontinuerlig elektronstråleacceleratorfacilitet (CEBAF), en del af Jefferson Lab i Virginia, havde til formål at få en bedre forståelse af disse undvigende partikler. Acceleratoren producerer en konstant strøm af energiske elektroner, hvilket gør den ideel til at studere eksotiske baryoner dannet gennem en proces kaldet semi-inklusiv dyb-uelastisk elektron-nukleonspredning (SIDIS).

I denne særlige proces blev CEBAF's elektroner spredt af protoner og neutroner i mål lavet af deuterium, kulstof, jern og bly. "Fordi protonen eller neutronen er totalt brudt fra hinanden, er der næppe tvivl om, at elektronen interagerer med kvarken indeni," forklarer El Fassi.

Efter denne disintegration bevæger den berørte op- eller nedkvark – som interagerer med en stråleelektron via en virtuel foton – sig kort rundt som en fri partikel, før den binder sig sammen med andre kvarker, den støder på og danner en ny hadron. I nogle ekstraordinære tilfælde kan den binde sammen med en anden op- eller ned-kvark og en mærkelig kvark – og danner en lambda-baryon.

Forfaldsprodukter

I CEBAF-eksperimentet kunne disse partikler kun identificeres ved en kombination af deres henfaldsprodukter og de spredte elektroner. Udfordringerne ved en sådan indirekte måling har betydet, at afgørende resultater har været længe undervejs. Men efter mere end et årti med grundige analyser, begyndende da El Fassi var postdoktor, har hun og hendes team endelig været i stand til at observere lambda-baryoner i kollisionerne.

"Disse undersøgelser hjælper med at opbygge en historie, analog med en film, om, hvordan den ramte kvark bliver til hadroner," forklarer El Fassi. "I et nyt blad [i Physical Review Letters], rapporterer vi de første observationer nogensinde af en sådan undersøgelse for lambdabaryonen i de fremadgående og bagudgående fragmenteringsregioner." Disse områder refererer til bevægelsesretningen af ​​den detekterede proton eller neutron efter lambdaens henfald i forhold til den indkommende elektronstråle.

Holdets analyse afslørede et særligt overraskende resultat. I modsætning til når SIDIS producerer lettere partikler med længere levetid, så CEBAF's elektroner ikke ud til at interagere med enkelte kvarker i dette tilfælde, men med et par kvarker (kaldet en diquark) – som fortsætter med at binde med en mærkelig kvark.

Forskellig mekanisme

"Denne kvark-parring antyder en anden mekanisme for produktion og interaktion end tilfældet med den enkelte kvark-interaktion," siger Hafidi.

Faktisk kan implikationerne af denne opdagelse være særligt slående for kvantekromodynamik (QCD), som er den teoretiske ramme, der beskriver den stærke kernekraft.

"Der er en ukendt ingrediens, som vi ikke forstår," siger teammedlem William Brooks ved Federico Santa María Tekniske Universitet i Chile. "Dette er ekstremt overraskende, da den eksisterende teori kan beskrive stort set alle andre observationer, men ikke denne. Det betyder, at der er noget nyt at lære, og i øjeblikket har vi ingen anelse om, hvad det kunne være."

I fremtiden håber holdet, at kommende forbedringer af CEBAF og dets detektorer kan bringe dem et skridt tættere på at besvare disse grundlæggende spørgsmål. Som El Fassi forklarer, "enhver ny måling, der vil give ny information til at forstå dynamikken i stærke interaktioner, er meget vigtig".

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden