Hinweise auf „Quark-Koaleszenz“ bei LHC-Kollisionen gefunden – Physics World

Physiker, die am LHCb-Experiment arbeiten, haben Hinweise darauf gesehen, dass die „Quark-Koaleszenz“ eine Rolle bei der Entwicklung von Quarks zu Hadronen nach Protonenkollisionen am Large Hadron Collider (LHC) spielt. Bei diesem Mechanismus, der ursprünglich in den 1980er Jahren vorgeschlagen wurde, verbinden sich vorhandene Quarks mit überlappenden Wellenfunktionen, anstatt neue Quarks zu erzeugen. Es ist bei niedrigen Transversalimpulsen am ausgeprägtesten und verschwindet allmählich, wenn Quarks schnell aus dem Kollisionspunkt entweichen.

Quarks sind die Teilchen, aus denen die Protonen und Neutronen in Atomkernen bestehen, und zahlreiche andere Hadronen (schwere Teilchen), die die starke Wechselwirkung spüren. Eine ihrer seltsamsten Eigenschaften ist, dass sie niemals isoliert beobachtet werden können. Der Hauptgrund dafür ist, dass im Gegensatz zur Schwerkraft, dem Elektromagnetismus und der schwachen Wechselwirkung, deren Stärke mit zunehmender Entfernung abnimmt, der Effekt der starken Wechselwirkung zunimmt, wenn sich gebundene Quarks weiter voneinander entfernen. Wenn die Quarks weit genug voneinander entfernt sind, enthält das Gluonenfeld, das die starke Wechselwirkung vermittelt, genügend Energie, um Teilchen-Antiteilchen-Paare zu erzeugen. Diese binden an die ursprünglichen Quarks und erzeugen neue gebundene Teilchen, die entweder Mesonen (Kombinationen aus einem Quark und einem Antiquark) oder Baryonen (bestehend aus drei Quarks) sein können. Dieser Vorgang wird Fragmentierung genannt.

Experimente mit Schwerionenkollisionen haben jedoch gezeigt, dass dies nicht die ganze Geschichte ist. Physiker glauben, dass sich Quarks auch in dem dichten Quark-Gluon-Plasma verbinden können, das durch das Zusammenstoßen dieser großen Teilchen in einem Prozess entsteht, der Koaleszenz genannt wird.

„Es kommt zu einer Kollision, es entsteht eine Reihe von Quark-Antiquark-Paaren, die beginnen, sich voneinander zu entfernen, und aufgrund der Welle-Teilchen-Dualität hat jedes Teilchen eine Wellenlänge, die einem sagt, wie groß es ist“, erklärt Matt Durham von Los Alamos Nationales Laboratorium in den USA, der Mitglied der LHCb-Kollaboration ist.

Vorhandene Quarks verbinden sich

„Wenn man drei Quarks hat, die einander überlappen, friert man sie zu einem Baryon zusammen; Wenn Sie zwei Quarks haben, die sich überlappen, frieren Sie sie zu einem Meson ein. Wenn man ein Quark hat, das sich mit keinem anderen überlappt, muss es fragmentieren“, erklärt Durham. „Die Koaleszenz nimmt also die Quarks auf, die bei der Kollision entstehen, und klebt sie zusammen; Die Fragmentierung erfordert die Herstellung neuer Quarks aus dem Vakuum.“

Die Koaleszenz bei Schwerionenkollisionen sei „allgemein akzeptiert“, sagt Durham, da es ansonsten schwierig sei, die in Experimenten erzeugten Verhältnisse von Protonen zu Pionen zu erklären. Schwerionenkollisionen sind jedoch chaotisch und theoretische Vorhersagen sind zwangsläufig ungenau. In der neuen Forschung untersuchte das LHCb-Team die Produktion von b-Quarks bei Proton-Proton-Kollisionen. Das B-Quark wird manchmal auch Bottom- oder Beauty-Quark genannt und ist das zweitmassereichste Quark im Standardmodell der Teilchenphysik.

Bei der Produktion von B-Quarks entsteht mit ziemlicher Sicherheit entweder ein B-Lambda-Baryon oder ein B⁰ Meson, die beide ab-Quark enthalten. Das Produktionsverhältnis zwischen diesen beiden wurde ausführlich in Experimenten untersucht, in denen das b-Quark durch Elektron-Positron-Kollisionen erzeugt wird – ein Prozess, der nur zur Fragmentierung führen kann. „Wenn es nur Fragmentierung gibt, sollte dieses Verhältnis universell sein“, sagt Durham.

Das LHCb-Team durchforstete die Daten mehrerer Jahre zu Proton-Proton-Kollisionen und untersuchte die Zerfallsprodukte von Kollisionen, die b-Quarks erzeugt hatten. Bei Kollisionen mit hohen transversalen Impulsen relativ zu den kollidierenden Strahlen und wenigen gleichzeitig erfassten anderen ausgehenden Teilchen entsprach das Verhältnis von Baryon zu Meson ungefähr dem Verhältnis in Elektron-Positron-Experimenten.

Mehr Baryonen

Als jedoch die Transversalimpulse abnahmen und die Anzahl anderer gleichzeitig detektierter Teilchen zunahm, nahm der Anteil der Baryonen im Verhältnis zum Anteil der Mesonen allmählich zu. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass dies ein klarer Beweis dafür sei, dass bei diesen Kollisionen ein anderer Prozess mit größerer Wahrscheinlichkeit Baryonen erzeugt habe. In diesem Szenario ist das b-Quark von anderen Quarks umgeben – wird jedoch immer ungünstiger, da das erzeugte Quark weiter von den anderen Teilchen entfernt ist. „Um das zu erklären, braucht man wirklich Koaleszenz“, sagt Durham und fügt hinzu: „Ich denke, wir haben es hier ganz eindeutig gezeigt.“

„Ich finde die Daten auf jeden Fall überzeugend“, sagt der Theoretiker Ralf Rapp der Texas A&M University; „Früher gab es eine Diskrepanz zwischen sehr kleinen Systemen – im Extremfall Elektron-Positron, wo es nur ein Quark-Antiquark-Paar gab – und den Schwerionensystemen, wo es Tausende von Quarks gab. Sie bringen ihren Standpunkt wirklich zum Ausdruck, indem sie systematisch zeigen, wie der Effekt verschwindet und die Elektron-Positron-Grenze als Funktion der Anzahl der beobachteten Hadronen wiederherstellt, was ein beobachtbares Maß für die Anzahl der Quarks und Antiquarks ist, mit denen man koaleszieren kann.“

Experimentalist Anselm Vossen von der Duke University in North Carolina stimmt zu, dass die Arbeit „sehr schön“ ist, weist jedoch darauf hin, dass die zugrunde liegenden Annahmen zur Berechnung der Fragmentierungsanteile die Isolierung der Quarks voraussetzen, sodass es vielleicht nicht überraschend ist, dass sie bei niedrigen Transversalimpulsen falsche Ergebnisse liefern ist nicht der Fall. „Das sind alles Vorbilder“, sagt er. „Es ist sehr suggestiv, dass es funktioniert, wenn man etwas im Koaleszenzmodell verwendet, aber das bedeutet nicht, dass es ‚die Wahrheit‘ ist.“

Die Forschung ist beschrieben in Physical Review Letters.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/evidence-for-quark-coalescence-found-in-lhc-collisions/