Bevis för "kvarkkoalescens" i LHC-kollisioner – Physics World

Fysiker som arbetar med LHCb-experimentet har sett bevis för att "kvarksammanslagningar" spelar en roll i utvecklingen av kvarkar till hadroner efter protonkollisioner vid Large Hadron Collider (LHC). Denna mekanism, som ursprungligen föreslogs på 1980-talet, har befintliga kvarkar med överlappande vågfunktioner som kombinerar snarare än skapar nya kvarkar. Det är mest uttalat vid låga transversella momenta, och slocknar gradvis när kvarkar snabbt flyr från kollisionspunkten.

Kvarkar är de partiklar som utgör protonerna och neutronerna inuti atomkärnor och många andra hadroner (tunga partiklar) som känner den starka interaktionen. En av deras märkligaste egenskaper är att de aldrig kan observeras isolerat. Det främsta skälet är att, till skillnad från gravitation, elektromagnetism och den svaga interaktionen, som alla minskar i styrka med avståndet, ökar effekten av den starka interaktionen när bundna kvarkar rör sig längre ifrån varandra. Om kvarkar är tillräckligt långt ifrån varandra innehåller gluonfältet som förmedlar den starka interaktionen tillräckligt med energi för att skapa partikel-antipartikelpar. Dessa binder till de ursprungliga kvarkarna och skapar nya bundna partiklar som antingen kan vara mesoner (kombinationer av en kvark och en antikvark) eller baryoner (som består av tre kvarkar). Denna process kallas fragmentering.

Experiment som involverade kraftiga jonkollisioner har dock antytt att detta inte är hela historien. Fysiker tror att kvarkar också kan kombineras i den täta kvarg-gluonplasman som bildas genom att slå samman dessa stora partiklar i en process som kallas sammansmältning.

"Du har en kollision, du bildar ett gäng kvark-antikvarkpar som börjar röra sig bort från varandra, och på grund av våg-partikeldualitet har varje partikel en våglängd som liksom talar om för dig hur stor den är", förklarar Matt Durham från Los Alamos National Laboratory i USA, som är medlem i LHCb-samarbetet.

Befintliga kvarkar kombineras

”Om du har tre kvarkar som överlappar varandra fryser du ihop dem till en baryon; om du har två kvarkar som överlappar varandra fryser du ihop dem till en meson; om du har en kvarg som inte överlappar någon annan måste den splittras, förklarar Durham. ”Så sammansmältning tar kvarkar som produceras i kollisionen och klistrar ihop dem; fragmentering kräver att du gör nya kvarkar ur vakuumet."

Koalescens i kraftiga jonkollisioner har "allmänt accepterats", säger Durham, eftersom det annars är svårt att förklara förhållandet mellan protoner och pioner som produceras i experiment. Kraftiga jonkollisioner är dock röriga och teoretiska förutsägelser är oundvikligen oprecisa. I den nya forskningen studerade LHCb-teamet produktionen av b-kvarkar i proton-protonkollisioner. Kallas ibland botten- eller skönhetskvarken, b-kvarken är den näst mest massiva kvarken i standardmodellen för partikelfysik.

Produktionen av b-kvarkar är nästan säker på att producera antingen en b-lambda-baryon eller en B⁰ meson, som båda innehåller ab-kvark. Produktionsförhållandet mellan dessa två har studerats omfattande i experiment där b-kvarken produceras genom elektron-positronkollisioner – en process som bara kan leda till fragmentering. "Om du bara har fragmentering, bör detta förhållande vara universellt", säger Durham.

LHCb-teamet kammade igenom flera års data om proton-protonkollisioner och studerade sönderfallsprodukterna från kollisioner som hade producerat b-kvarkar. För kollisioner med högt transversellt moment i förhållande till de kolliderande strålarna och få andra utgående partiklar som detekterades samtidigt, var baryon-till-meson-förhållandet ungefär lika med förhållandet i elektron-positron-experiment.

Fler baryoner

Men när det tvärgående momentet sjönk och antalet andra partiklar som upptäckts samtidigt ökade, ökade andelen baryoner gradvis i förhållande till andelen mesoner. Detta, drog forskarna slutsatsen, var ett tydligt bevis på att en annan process med större sannolikhet att producera baryoner var på gång i dessa kollisioner. I det här scenariot är b-kvarken omgiven av andra kvarkar – men blev allt mer missgynnade eftersom den producerade kvarken var mer separerad från de andra partiklarna. "Du behöver verkligen sammansmältning för att förklara det", säger Durham, som tillägger, "Jag tycker att vi har visat det ganska definitivt här".

"Jag tycker definitivt att data är övertygande", säger teoretiker Ralf Rapp från Texas A&M University; "Det fanns förr en koppling mellan mycket små system - det yttersta är elektron-positron, där du bara har ett kvark-antikvarkpar - och de tunga jonsystemen där du har tusentals kvarkar. Sättet de verkligen gör sin poäng på är att systematiskt visa hur effekten försvinner och återställer elektron-positrongränsen som en funktion av hur många hadroner som observeras, vilket är en observerbar mätning av hur många kvarkar och antikvarkar det finns att smälta samman med."

Experimentalist Anselm Vossen från Duke University i North Carolina håller med om att arbetet är "mycket trevligt", men noterar att de underliggande antagandena som används för att beräkna fragmenteringsfraktionerna innebär att kvarkarna isoleras, så det är kanske inte förvånande att de ger felaktiga resultat vid lågt tvärgående moment när detta är inte fallet. "Alla dessa är modeller," säger han. "Det är väldigt suggestivt att om du använder något i koalescensmodellen så fungerar det, men det betyder inte att det är "sanningen""

Forskningen beskrivs i Fysiska granskningsbrev.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/evidence-for-quark-coalescence-found-in-lhc-collisions/