หลักฐานของ 'การรวมตัวกันของควาร์ก' ที่พบในการชนของ LHC - โลกฟิสิกส์

หลักฐานของ 'การรวมตัวกันของควาร์ก' ที่พบในการชนของ LHC - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 6 มีนาคม 2024 10:31 น


LHCb ที่ CERN
Quark Coalescer: การทดลอง LHCb ได้รับการอัปเกรดเมื่อหลายปีก่อน (เอื้อเฟื้อโดย: Maximilien Brice/CERN)

นักฟิสิกส์ที่ทำงานเกี่ยวกับการทดลอง LHCb ได้เห็นหลักฐานว่า "การรวมตัวกันของควาร์ก" มีบทบาทในการวิวัฒนาการของควาร์กเป็นฮาดรอนหลังจากการชนของโปรตอนที่ Large Hadron Collider (LHC) กลไกนี้ซึ่งเดิมเสนอในช่วงทศวรรษปี 1980 มีควาร์กที่มีอยู่แล้วซึ่งมีฟังก์ชันคลื่นที่ทับซ้อนกันรวมกันแทนที่จะสร้างควาร์กใหม่ จะเด่นชัดที่สุดที่โมเมนต้าตามขวางต่ำ และค่อยๆ ดับลงเมื่อควาร์กหลุดออกจากจุดชนอย่างรวดเร็ว

ควาร์กเป็นอนุภาคที่ประกอบเป็นโปรตอนและนิวตรอนภายในนิวเคลียสของอะตอมและแฮดรอน (อนุภาคหนัก) อื่นๆ อีกมากมายที่รู้สึกถึงปฏิกิริยาที่รุนแรง ลักษณะที่แปลกประหลาดที่สุดประการหนึ่งคือไม่สามารถสังเกตได้โดยลำพัง เหตุผลหลักก็คือว่า ต่างจากแรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้าและอันตรกิริยาที่อ่อนแอ ซึ่งทั้งหมดนี้ลดความแรงลงตามระยะทาง ผลกระทบของอันตรกิริยาที่รุนแรงจะเพิ่มขึ้นเมื่อตัวขับเคลื่อนควาร์กที่ถูกผูกไว้แยกออกจากกัน ถ้าควาร์กอยู่ห่างกันมากพอ สนามกลูออนที่เป็นสื่อกลางในปฏิกิริยาที่รุนแรงจะมีพลังงานเพียงพอที่จะสร้างคู่อนุภาคและปฏิปักษ์ สิ่งเหล่านี้จับกับควาร์กดั้งเดิม ทำให้เกิดอนุภาคที่ถูกผูกไว้ใหม่ซึ่งอาจเป็นมีซอน (การรวมกันของควาร์กหนึ่งตัวและแอนติควาร์กหนึ่งตัว) หรือแบริออน (ประกอบด้วยควาร์กสามตัว) กระบวนการนี้เรียกว่าการกระจายตัว

การทดลองที่เกี่ยวข้องกับการชนกันของไอออนหนักได้เสนอแนะว่านี่ไม่ใช่เรื่องราวทั้งหมด นักฟิสิกส์เชื่อว่าควาร์กสามารถรวมตัวกันในพลาสมาควาร์ก-กลูออนหนาแน่นที่เกิดจากการทุบอนุภาคขนาดใหญ่เหล่านี้เข้าด้วยกันในกระบวนการที่เรียกว่าการรวมตัวกัน

“คุณมีการชนกัน คุณสร้างคู่ควาร์ก-แอนติควาร์กจำนวนหนึ่งซึ่งเริ่มเคลื่อนที่ออกจากกัน และเนื่องจากความเป็นคู่ของอนุภาคของคลื่น แต่ละอนุภาคจึงมีความยาวคลื่นที่บอกคุณว่ามันมีขนาดใหญ่แค่ไหน” Matt Durham อธิบายจาก ลอสอาลามอสห้องปฏิบัติการแห่งชาติ ในสหรัฐอเมริกาซึ่งเป็นสมาชิกของความร่วมมือ LHCb

ควาร์กที่มีอยู่มารวมกัน

“ถ้าคุณมีควาร์กสามตัวที่ทับซ้อนกัน คุณจะแข็งตัวพวกมันรวมกันเป็นแบริออน หากคุณมีควาร์กสองตัวที่ทับซ้อนกัน คุณจะแข็งตัวพวกมันเข้าด้วยกันเป็นมีซอน ถ้าคุณมีควาร์กที่ไม่ทับซ้อนกับควาร์กตัวอื่น มันก็จะต้องแยกส่วน” เดอร์แฮมอธิบาย “ดังนั้นการรวมตัวกันจึงนำควาร์กที่เกิดจากการชนมาเกาะกัน การกระจายตัวทำให้คุณต้องสร้างควาร์กใหม่จากสุญญากาศ”

Durham กล่าวว่าการรวมตัวกันในการชนกันของไอออนหนักนั้น "เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไป" เนื่องจากเป็นการยากที่จะอธิบายอัตราส่วนของโปรตอนต่อไพออนที่เกิดขึ้นในการทดลอง อย่างไรก็ตาม การชนกันของไอออนหนักจะเลอะเทอะ และการพยากรณ์ทางทฤษฎีก็ไม่แม่นยำอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในการวิจัยครั้งใหม่นี้ ทีม LHCb ได้ศึกษาการผลิตบีควาร์กในการชนกันของโปรตอนและโปรตอน บางครั้งเรียกว่าควาร์กด้านล่างหรือบิวตี้ควาร์ก บีควาร์กเป็นควาร์กที่มีมวลมากเป็นอันดับสองในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค

การผลิตบีควาร์กเกือบจะสามารถผลิตบี-แลมบ์ดาแบริออนหรือบีได้อย่างแน่นอน0 มีซอน ซึ่งทั้งคู่มี ab ควาร์ก อัตราส่วนการผลิตระหว่างทั้งสองได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในการทดลองซึ่ง b ควาร์กเกิดจากการชนกันของอิเล็กตรอน-โพซิตรอน ซึ่งเป็นกระบวนการที่สามารถนำไปสู่การแตกตัวเท่านั้น “หากคุณมีเพียงการแตกแฟรกเมนต์ อัตราส่วนนี้ควรจะเป็นสากล” Durham กล่าว

ทีมงาน LHCb รวบรวมข้อมูลหลายปีเกี่ยวกับการชนกันของโปรตอน-โปรตอน และศึกษาผลการสลายตัวจากการชนที่ทำให้เกิดขควาร์ก สำหรับการชนที่มีโมเมนตัมตามขวางสูงสัมพันธ์กับลำแสงที่ชนกันและอนุภาคอื่นๆ ไม่กี่ตัวที่ตรวจพบในเวลาเดียวกัน อัตราส่วนแบริออนต่อเมสันจะเท่ากับอัตราส่วนในการทดลองอิเล็กตรอน-โพซิตรอนโดยประมาณ

แบริออนมากขึ้น

อย่างไรก็ตาม เมื่อโมเมนตาตามขวางลดลงและจำนวนอนุภาคอื่นๆ ที่ตรวจพบพร้อมกันเพิ่มขึ้น สัดส่วนของแบริออนก็ค่อยๆ เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับสัดส่วนของมีซอน นักวิจัยสรุปว่านี่เป็นหลักฐานที่ชัดเจนว่ากระบวนการอื่นที่มีแนวโน้มที่จะสร้างแบริออนนั้นเกิดขึ้นในการชนเหล่านี้ ในสถานการณ์สมมตินี้ บีควาร์กถูกล้อมรอบด้วยควาร์กอื่นๆ แต่เริ่มไม่ได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อควาร์กที่ผลิตออกมาถูกแยกออกจากอนุภาคอื่นๆ มากขึ้น “คุณต้องอาศัยการทำงานร่วมกันเพื่ออธิบายเรื่องนี้” เดอร์แฮมกล่าวเสริม “ผมคิดว่าเราได้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนแล้วที่นี่”

“ฉันพบว่าข้อมูลนี้น่าเชื่อถืออย่างแน่นอน” นักทฤษฎีกล่าว ราล์ฟ แรปป์ ของมหาวิทยาลัยเท็กซัส A&M; “เคยมีการตัดการเชื่อมต่อระหว่างระบบขนาดเล็กมาก ระบบสุดขั้วคืออิเล็กตรอน-โพซิตรอน โดยที่คุณมีควาร์กเพียงคู่เดียวกับแอนติควาร์ก และระบบไอออนหนักที่คุณมีควาร์กหลายพันตัว วิธีที่พวกเขาชี้ประเด็นจริงๆ คือการแสดงอย่างเป็นระบบว่าผลกระทบหายไปอย่างไรและเรียกคืนขีดจำกัดของอิเล็กตรอน-โพซิตรอนตามฟังก์ชันของจำนวนแฮดรอนที่สังเกตได้ ซึ่งเป็นการวัดที่สังเกตได้ว่าเป็นการวัดจำนวนควาร์กและแอนติควาร์กที่จะรวมตัวกันด้วย”

นักทดลอง อันเซล์ม วอสเซ่น แห่งมหาวิทยาลัยดุ๊กในนอร์ทแคโรไลนาเห็นพ้องกันว่างานนี้ "ดีมาก" แต่ตั้งข้อสังเกตว่าสมมติฐานพื้นฐานที่ใช้ในการคำนวณเศษส่วนของการแตกแฟรกเมนต์เกี่ยวข้องกับการแยกควาร์กออก ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจเลยที่พวกมันให้ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้องที่โมเมนตาตามขวางต่ำเมื่อ ไม่ใช่กรณีนี้ “ทั้งหมดนี้คือโมเดล” เขากล่าว “เป็นการชี้นำอย่างมากว่าหากคุณใช้บางอย่างในแบบจำลองการรวมตัวกัน มันจะได้ผล แต่นั่นไม่ได้หมายความว่ามันจะเป็น 'ความจริง'”

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์

ใบหน้าทั้งสองของวิศวกรการบินและอวกาศในช่วงสงคราม: เรื่องราวที่เป็นที่ถกเถียงของแวร์นเฮอร์ ฟอน เบราน์ - โลกฟิสิกส์

คลัสเตอร์ต้นทาง:
โหนดต้นทาง: 1898210
ประทับเวลา: ตุลาคม 4, 2023