Bewijs voor 'quark-coalescentie' gevonden bij LHC-botsingen - Physics World

Natuurkundigen die aan het LHCb-experiment werken, hebben bewijs gezien dat ‘quark-coalescentie’ een rol speelt in de evolutie van quarks in hadronen na protonbotsingen bij de Large Hadron Collider (LHC). Dit mechanisme, dat oorspronkelijk in de jaren tachtig werd voorgesteld, zorgt ervoor dat bestaande quarks met overlappende golffuncties worden gecombineerd in plaats van nieuwe quarks te creëren. Het is het meest uitgesproken bij lage transversale impulsen en gaat geleidelijk uit als quarks snel ontsnappen uit het botsingspunt.

Quarks zijn de deeltjes waaruit de protonen en neutronen in atoomkernen bestaan, en talloze andere hadronen (zware deeltjes) die de sterke interactie voelen. Een van hun vreemdste kenmerken is dat ze nooit geïsoleerd kunnen worden waargenomen. De belangrijkste reden is dat, in tegenstelling tot zwaartekracht, elektromagnetisme en de zwakke interactie, die allemaal in kracht afnemen naarmate de afstand groter wordt, het effect van de sterke interactie toeneemt naarmate gebonden quarks verder uit elkaar bewegen. Als quarks voldoende ver uit elkaar staan, bevat het gluonveld dat de sterke interactie bemiddelt voldoende energie om deeltjes-antideeltje-paren te creëren. Deze binden zich aan de oorspronkelijke quarks, waardoor nieuwe gebonden deeltjes ontstaan ​​die ofwel mesonen (combinaties van één quark en één antiquark) of baryonen (bestaande uit drie quarks) kunnen zijn. Dit proces wordt fragmentatie genoemd.

Experimenten met botsingen tussen zware ionen hebben echter gesuggereerd dat dit niet het hele verhaal is. Natuurkundigen geloven dat quarks zich ook kunnen combineren in het dichte quark-gluon-plasma dat wordt gevormd door deze grote deeltjes tegen elkaar te slaan in een proces dat coalescentie wordt genoemd.

“Je hebt een botsing, je maakt een stel quark-antiquark-paren die van elkaar weg bewegen, en vanwege de dualiteit van golven en deeltjes heeft elk deeltje een golflengte die je ongeveer vertelt hoe groot het is”, legt Matt Durham van Los Alamos National Laboratory in de VS, die lid is van de LHCb-samenwerking.

Bestaande quarks combineren

“Als je drie quarks hebt die elkaar overlappen, bevries je ze samen tot een baryon; als je twee quarks hebt die elkaar overlappen, bevries je ze samen tot een meson; als je een quark hebt die niet met andere overlapt, moet hij fragmenteren”, legt Durham uit. “Dus bij coalescentie worden de quarks die bij de botsing ontstaan, aan elkaar geplakt; fragmentatie vereist dat je nieuwe quarks uit het vacuüm maakt.”

Coalescentie bij botsingen met zware ionen is “algemeen aanvaard”, zegt Durham, omdat het anders moeilijk is om de verhoudingen tussen protonen en pionen die in experimenten worden geproduceerd, te verklaren. Botsingen tussen zware ionen zijn echter rommelig en theoretische voorspellingen zijn onvermijdelijk onnauwkeurig. In het nieuwe onderzoek bestudeerde het LHCb-team de productie van b-quarks bij proton-protonbotsingen. De b-quark, ook wel de bottom- of beauty-quark genoemd, is de op één na meest massieve quark in het standaardmodel van de deeltjesfysica.

De productie van b-quarks zal vrijwel zeker een b-lambda-baryon of een B opleveren⁰ meson, die beide ab-quark bevatten. De productieverhouding tussen deze twee is uitgebreid bestudeerd in experimenten waarin de b-quark wordt geproduceerd door botsingen tussen elektronen en positronen – een proces dat alleen maar tot fragmentatie kan leiden. “Als je alleen maar fragmentatie hebt, zou deze verhouding universeel moeten zijn”, zegt Durham.

Het LHCb-team heeft de gegevens van meerdere jaren over proton-protonbotsingen doorgenomen en de vervalproducten bestudeerd van botsingen die b-quarks hadden geproduceerd. Voor botsingen met een hoog transversaal momentum ten opzichte van de botsende bundels en weinig andere uitgaande deeltjes die tegelijkertijd worden gedetecteerd, was de baryon-mesonverhouding ongeveer gelijk aan de verhouding in elektron-positronexperimenten.

Meer baryonen

Naarmate de transversale impuls echter afnam en het aantal andere gedetecteerde deeltjes tegelijkertijd groeide, nam het aandeel baryonen geleidelijk toe ten opzichte van het aandeel mesonen. Dit, zo concludeerden de onderzoekers, was een duidelijk bewijs dat bij deze botsingen een ander proces aan het werk was dat waarschijnlijk baryonen produceert. In dit scenario wordt de b-quark omringd door andere quarks, maar deze wordt steeds minder geliefd omdat de geproduceerde quark meer gescheiden is van de andere deeltjes. “Je hebt echt coalescentie nodig om dat uit te leggen”, zegt Durham, die eraan toevoegt: “Ik denk dat we het hier duidelijk hebben laten zien”.

“Ik vind de gegevens absoluut overtuigend”, zegt theoreticus Ralf Rap van de Texas A&M Universiteit; “Vroeger was er een kloof tussen zeer kleine systemen – het uiterste is elektron-positron, waar je maar één quark-antiquark-paar hebt – en de zware ionensystemen waar je duizenden quarks hebt. De manier waarop ze hun punt echt maken, is door systematisch te laten zien hoe het effect verdwijnt en de elektron-positronlimiet herstelt als een functie van het aantal hadronen dat wordt waargenomen, wat een waarneembare maat is met hoeveel quarks en antiquarks er moeten samenvloeien.

Experimenteel Anselmus Vossen van Duke University in North Carolina is het ermee eens dat het werk “erg mooi” is, maar merkt op dat de onderliggende aannames die gebruikt worden om de fragmentatiefracties te berekenen inhouden dat de quarks geïsoleerd zijn, dus het is misschien niet verrassend dat ze onjuiste resultaten opleveren bij lage transversale impulsen wanneer dit gebeurt. is niet het geval. “Dit zijn allemaal modellen”, zegt hij. “Het is heel suggestief dat als je iets in het coalescentiemodel gebruikt, het werkt, maar dat betekent niet dat het ‘de waarheid’ is”

Het onderzoek is beschreven in Physical Review Letters.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/evidence-for-quark-coalescence-found-in-lhc-collisions/