עדות ל'התאחדות קווארקים' שנמצאה בהתנגשויות LHC - עולם הפיזיקה

פיזיקאים שעבדו על ניסוי LHCb ראו עדויות לכך ש"התלכדות קווארקים" משחקת תפקיד בהתפתחות הקווארקים להדרונים בעקבות התנגשויות פרוטונים במאיץ ההדרונים הגדול (LHC). למנגנון זה, שהוצע במקור בשנות ה-1980, יש קווארקים קיימים עם פונקציות גל חופפות המשלבות ולא יוצרים קווארקים חדשים. הוא בולט ביותר במומנטה רוחבית נמוכה, ונכבה בהדרגה כאשר הקווארקים בורחים במהירות מנקודת ההתנגשות.

קווארקים הם החלקיקים המרכיבים את הפרוטונים והנייטרונים בתוך גרעיני אטום ועוד הרבה הדרונים (חלקיקים כבדים) שחשים את האינטראקציה החזקה. אחד המאפיינים המוזרים ביותר שלהם הוא שלעולם לא ניתן לצפות בהם בבידוד. הסיבה העיקרית היא שבניגוד לכוח הכבידה, האלקטרומגנטיות והאינטראקציה החלשה, שכולם יורדים בעוצמתם עם המרחק, השפעת האינטראקציה החזקה גוברת ככל שהקוורקים הקשורים מתרחקים זה מזה. אם הקווארקים מרוחקים מספיק זה מזה, שדה הגלואון שמתווך את האינטראקציה החזקה מכיל מספיק אנרגיה כדי ליצור זוגות חלקיקים-אנטי-חלקיקים. אלה נקשרים לקווארקים המקוריים, ויוצרים חלקיקים קשורים חדשים שיכולים להיות מזוונים (שילובים של קווארק אחד ואנטיקווארק אחד) או בריונים (הכוללים שלושה קווארקים). תהליך זה נקרא פרגמנטציה.

עם זאת, ניסויים שכללו התנגשויות יונים כבדות העלו כי זה לא כל הסיפור. פיזיקאים מאמינים שקווארקים יכולים גם לשלב בפלזמת הקווארק-גלואון הצפופה שנוצרת על ידי ריסוק החלקיקים הגדולים הללו בתהליך שנקרא התלכדות.

"יש לך התנגשות, אתה יוצר חבורה של זוגות קווארק-אנטיקווארקים שמתחילים להתרחק אחד מהשני, ובגלל דואליות גל חלקיקי לכל חלקיק יש אורך גל שאומרת לך כמה הוא גדול", מסביר מאט דורהאם המעבדה הלאומית לוס אלמוס בארה"ב, שהוא חבר בשיתוף הפעולה של LHCb.

קווארקים קיימים משלבים

"אם יש לך שלושה קווארקים שחופפים זה את זה, אתה מקפיא אותם יחד לבריון; אם יש לך שני קווארקים חופפים, אתה מקפיא אותם יחד למזון; אם יש לך קווארק שאינו חופף לאף אחד אחר, הוא צריך להתפצל", מסביר דורהאם. "אז ההתלכדות לוקחת קווארקים שנוצרים בהתנגשות ומדביקה אותם יחד; פיצול מחייב אותך לייצר קווארקים חדשים מהוואקום".

התלכדות בהתנגשויות יונים כבדות הייתה "מקובלת באופן כללי", אומר דורהאם, מכיוון שאחרת קשה להסביר את היחס בין פרוטונים לפיונים שנוצרו בניסויים. התנגשויות יונים כבדות הן מבולגנות, עם זאת, ותחזיות תיאורטיות אינן מדוייקות בהכרח. במחקר החדש, צוות LHCb חקר את הייצור של קווארקים b בהתנגשויות פרוטון-פרוטון. לפעמים נקרא הקווארק התחתון או היופי, הקווארק b הוא הקווארק השני בגודלו במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים.

כמעט בטוח שהייצור של קווארקי b מייצר ב-למבדה בריון או B⁰ meson, ששניהם מכילים אב קווארק. יחס הייצור בין שני אלה נחקר רבות בניסויים שבהם הקווארק b מיוצר על ידי התנגשויות אלקטרונים-פוזיטרון - תהליך שיכול להוביל רק לפיצול. "אם יש לך רק פיצול, היחס הזה צריך להיות אוניברסלי", אומר דורהאם.

צוות ה-LHCb סרק נתונים של מספר שנים על התנגשויות פרוטון-פרוטונים וחקר את תוצרי ההתפרקות מהתנגשויות שייצרו קווארקים b. עבור התנגשויות עם מומנט רוחבי גבוה ביחס לקורות המתנגשות ומעט חלקיקים יוצאים אחרים שהתגלו בו-זמנית, היחס בין בריון למסון היה שווה בערך ליחס בניסויי אלקטרונים-פוזיטרון.

עוד בריונים

עם זאת, ככל שהמומנטה הרוחבית ירדה וככל שמספר החלקיקים האחרים שהתגלו בו זמנית גדל, שיעור הבריון גדל בהדרגה ביחס לשיעור המזונים. זו, סיכמו החוקרים, הייתה עדות ברורה לכך שתהליך נוסף שסביר יותר לייצר בריונים פעל בהתנגשויות אלה. בתרחיש זה הקווארק b מוקף בקווארקים אחרים - אך הפך לרעה יותר ויותר ככל שהקווארק שנוצר היה מופרד יותר משאר החלקיקים. "אתה באמת דורש התלכדות כדי להסביר את זה", אומר דורהאם, שמוסיף, "אני חושב שהראינו את זה באופן מוחלט כאן".

"אני בהחלט מוצא את הנתונים משכנעים", אומר תיאורטיקן ראלף ראפ מאוניברסיטת טקסס A&M; "פעם היה נתק בין מערכות קטנות מאוד - הקיצוניות היא אלקטרונים-פוזיטרון, שבה יש לך רק זוג קווארק-אנטיקווארק אחד - לבין מערכות היונים הכבדות שבהן יש לך אלפי קווארקים. הדרך שבה הם באמת מביעים את הנקודה שלהם היא להראות באופן שיטתי איך ההשפעה נעלמת ומשחזרת את גבול האלקטרון-פוזיטרון כפונקציה של כמה האדרונים נצפים, שהיא מדידה ניתנת לצפייה המודדת כמה קווארקים ואנטי-קווארקים יש להתלכד איתם".

נסיינית אנסלם ווסן מאוניברסיטת דיוק בצפון קרוליינה מסכימה שהעבודה "יפה מאוד", אך מציינת שההנחות הבסיסיות המשמשות לחישוב שברי הפיצול כרוכות בבידוד הקווארקים, כך שאולי אין זה מפתיע שהם נותנים תוצאות שגויות במומנט רוחבי נמוך כאשר זה זה לא המקרה. "כל אלה הם דוגמניות", הוא אומר. "זה מאוד מרמז שאם אתה משתמש במשהו במודל ההתלכדות זה עובד, אבל זה לא אומר שזו 'האמת'"

המחקר מתואר ב מכתבי סקירה פיזית.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/evidence-for-quark-coalescence-found-in-lhc-collisions/