Unikatowe badania antymaterii mogą wstrząsnąć Modelem Standardowym
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z eksperymentu ATLAS w CERN-ie zaobserwowali kwarki t (kwarki wysokie, prawdziwe), powstałe w wyniku zderzeń jonów ołowiu. Tym samym cząstki te zostały po raz pierwszy zarejestrowane w wyniku interakcji jąder atomów. To ważny krok w dziedzinie fizyki zderzeń ciężkich jonów. Dzięki temu możliwe będą dodatkowe pomiary dróg tworzenia się plazmy kwarkowo-gluonowej i badania natury oddziaływań silnych. Te najpotężniejsze z oddziaływań podstawowych – przypomnijmy, że należą do nich oddziaływania silne, słabe, grawitacyjne i elektromagnetyczne – wiążą kwarki w protony i neutrony.
W plazmie kwarkowo-gluonowej (QGP) kwarki i gluony tworzą egzotyczny stan materii, przypominający niezwykle gęsą ciecz. Naukowcy uważają, że plazma taka wypełniała wszechświat po Wielkim Wybuchu, więc jej badanie zdradzi nam szczegóły na temat samych początków. Jednak QGP powstająca w wyniku zderzeń ciężkich jonów istnieje niezwykle krótko, przez około 10-23 sekundy. Jej bezpośrednia obserwacja jest niemożliwa, dlatego naukowcy badają cząstki powstające w wyniku zderzeń i przechodzące przez QGP, w ten sposób mogą badać właściwości samej plazmy.
Kwarki t są szczególnie obiecującymi próbnikami ewolucji plazmy w czasie. Te najcięższe z cząstek elementarnych rozpadają się na inne cząstki o cały rząd prędkości szybciej niż czas potrzebny do utworzenia się plazmy. Czas, jaki upłynął między zderzeniem a interakcją produktów rozpadu kwarków t z plazmą kwarkowo-gluonową może zaś służyć do pomiaru zmian plazmy w czasie.
Fizycy z ATLAS badali zderzenia jonów ołowiu odbywając się przy energii 5,02 TeV. Zaobserwowali pojawianie się kwarków t oraz ich rozpad na kwarki b (kwarki niskie, piękne) oraz bozony W, które następnie rozpadały się na elektron lub mion i neutrino. Poziom ufności obserwacji określono na 5 sigma, a to oznacza, że możemy mówić o odkryciu.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
CERN pochwalił się osiągnięciem przez Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) rekordowej świetlności. Obok energii wiązki, w przypadku LHC maksymalna energia każdej z wiązek ma wynieść 7 TeV (teraelektronowoltów), to właśnie świetlność jest najważniejszym parametrem akceleratora. Zintegrowana świetlność to najbardziej interesujący fizyka parametr urządzenia. Oznacza ona liczbę zderzeń zachodzących w urządzeniu. A im więcej zderzeń, tym więcej danych dostarcza akcelerator.
Jednostką świetlności jest odwrócony barn (b-1) lub jego jednostki pochodne, jak femtobarny (fb-1). W trakcie pierwszej kampanii naukowej (Run 1), która prowadzona była w latach 2010–2012 średnia zintegrowana świetlność LHC wyniosła 29,2 fb-1. Przez kolejne lata akcelerator był remontowany i rozbudowywany. Druga kampania naukowa miała miejsce w latach 2015–2018. Wówczas, w ciągu czterech lat pracy, akcelerator osiągnął średnią zintegrowaną świetlnośc 159,8 fb-1.
Obecnie trwająca kampania, zaplanowana na lata 2022–2025, rozpoczęła się zgodnie z planem. W roku 2022 efektywny czas prowadzenia zderzeń protonów wyniósł 70,5 doby, a średnia zintegrowana świetlność osiągnęła poziom 0,56 fb-1 na dzień. W roku 2023 rozpoczęły się problemy. Niezbędne naprawy urządzenia zajmowały więcej czasu niż planowano i przez cały rok zderzenia protonów prowadzono jedynie przez 47,5 dnia, jednak średnia zintegrowana świetlność wyniosła 0,71 fb-1 na dzień.
Bieżący rok jest zaś wyjątkowy. Wydajność LHC przewyższyła oczekiwania. Do 2 września 2024 roku akcelerator zderzał protony łącznie przez 107 dni, osiągając przy tym średnią zintegrowaną jasność rzędu 0,83 fb-1 na dzień. Dzięki temu na kilka miesięcy przed końcem trzeciego roku obecnej kampanii naukowej jego średnia zintegrowana świetlność wyniosła 160,4 fb-1, jest zatem większa niż przez cztery lata poprzedniej kampanii.
W bieżącym roku LHC ma też przeprowadzać zderzenia jonów ołowiu. Zanim jednak do tego dojdzie, będzie przez 40 dni pracował z protonami. Powinno to zwiększyć jego zintegrowaną świetlność o koleje 33 fb-1. To o 12 fb-1 więcej niż zaplanowano na bieżący rok.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Po raz pierwszy udało się bezpośrednio zaobserwować wpływ grawitacji na antymaterię. Fizycy z CERN eksperymentalnie wykazali, że grawitacja działa na antymaterię tak, jak i na materię – antyatomy opadają na źródło grawitacji. Nie jest to niczym niespodziewanym, różnica w oddziaływaniu grawitacji na materię i antymaterię miałaby bardzo poważne implikacje dla fizyki. Jednak bezpośrednia obserwacja tego zjawiska jest czymś, czego fizycy oczekiwali od dziesięcioleci. Oddziaływanie grawitacyjne jest bowiem niezwykle słabe, zatem łatwo może zostać zakłócone.
Naukowcy z CERN pracujący przy eksperymencie ALPHA wykorzystali atomy antywodoru, które są stabilne i elektrycznie obojętne, do badania wpływu grawitacji na antymaterię. Uczeni utworzyli antywodór łącząc antyprotony – uzyskane w urządzeniach AD i ELENA pracujących w Antimatter Factory – z pozytonami (antyelektronami) z radioaktywnego sodu-22. Atomy antywodoru umieszczono następnie w pułapce magnetycznej, która chroniła je przed wejściem w kontakt z materią i anihilacją. Całość umieszczono w niedawno skonstruowanym, specjalnym urządzeniu o nazwie ALPHA-g, które pozwala na śledzenie losu atomów po wyłączeniu pułapki.
Symulacje komputerowe wykazywały, że – w przypadku materii – około 20% atomów powinno opuścić pułapkę przez górną jej część, a około 80% – przez dolną. Naukowcy wielokrotnie przeprowadzili eksperymenty z użyciem antymaterii, uwzględniając przy tym różne ustawienia pułapki i różne możliwe oddziaływania poza oddziaływaniami grawitacyjnymi. Po uśrednieniu wyników eksperymentów okazało się, że antymateria zachowuje się tak, jak materia. Około 20% atomów antywodoru uleciało z pułapki górą, a około 80% – dołem.
Potrzebowaliśmy 30 lat by nauczyć się, jak stworzyć antyatomy, jak utrzymać je w pułapce, jak je kontrolować i jak je uwalniać z pułapki, by oddziaływała na nie grawitacja. Następnym etapem naszych badań będą jak najbardziej precyzyjne pomiary przyspieszenia opadających antyatomów. Chcemy sprawdzić, czy rzeczywiście atomy i antyatomy opadają w taki sam sposób, mówi Jeffrey Hangst, rzecznik prasowy eksperymentu ALPHA.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
CERN podjął pierwsze praktyczne działania, których celem jest zbudowania następcy Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC). Future Circular Collider (FCC) ma mieć 91 kilometrów długości, a plany zakładają, że jego tunel będzie miał 5 metrów średnicy. Urządzenie będzie więc ponaddtrzykrotnie dłuższe od LHC. Akcelerator, który ma powstać w granicach Francji i Szwajcarii, będzie tak olbrzymi, by osiągnąć energię zderzeń sięgającą 100 TeV (teraelektronowoltów). Energia zderzeń w LHC wynosi 14 TeV.
Specjaliści z CERN przeprowadzili już analizy teoretyczne, a obecnie rozpoczynają etap działań polowych. Miejsca, w których mają przebiegać FCC zostaną teraz poddane ocenie środowiskowej, a następnie przeprowadzone zostaną szczegółowe badania sejsmiczne i geotechniczne. Trzeba w nich będzie uwzględnić również osiem naziemnych ośrodków naukowych i technicznych obsługujących olbrzymią instalację.
Po ukończeniu wspomnianych badań, a mogą one zająć kilka lat, 23 kraje członkowskie CERN podejmą ostateczną decyzję dotyczącą ewentualnej budowy FCC. Poznamy ją prawdopodobnie za 5–6 lat. W FCC mają być początkowo zderzane elektrony i pozytony, a następnie również hadrony.
Zadaniem FCC ma być m.in. znalezienie dowodu na istnienie ciemnej materii, szukanie odpowiedzi na pytanie o przyczyny przewagi ilości materii nad antymaterią czy określenie masy neutrino.
Fizycy przewidują, że możliwości badawcze Wielkiego Zderzacza Hadronów wyczerpią się około połowy lat 40. Problem z akceleratorami polega na tym, że niezależnie od tego, jak wiele danych dzięki nim zgromadzisz, natrafiasz na ciągle powtarzające się błędy. W latach 2040–2045 osiągniemy w LHC maksymalną możliwą precyzję. To będzie czas sięgnięcia po potężniejsze i jaśniejsze źródło, które lepiej pokaże nam kształt fizyki, jaką chcemy zbadać, mówi Patrick Janot z CERN.
W 2019 roku szacowano, że koszt budowy FCC przekroczy 21 miliardów euro. Inwestycja w tak kosztowne urządzenie spotkała się z krytyką licznych specjalistów, którzy argumentują, że przez to może zabraknąć funduszy na inne, bardziej praktyczne, badania z dziedziny fizyki. Jednak zwolennicy FCC bronią projektu zauważając, iż wiele teoretycznych badań przekłada się na życie codzienne. Gdy stworzono działo elektronowe, powstało ono na potrzeby akceleratorów. Nikt nie przypuszczał, że dzięki temu powstanie telewizja. A gdy tworzona była ogólna teoria względności, nikomu nie przyszło do głowy, że będzie ona wykorzystywana w systemie GPS, zauważa Janot. Wśród innych korzyści zwolennicy budowy FCC wymieniają fakt, że zachęci on do trwającej dziesięciolecia współpracy naukowej. Zresztą już obecnie z urządzeń CERN korzysta ponad 600 instytucji naukowych i uczelni z całego świata.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Na zakończonej przed dwoma dniami Recontres de Moriond, organizowanej od 1966 roku dorocznej konferencji, podczas której omawiane są najnowsze osiągnięcia fizyki, naukowcy CERN-u poinformowali o zaobserwowaniu jednoczesnego powstania czterech kwarków wysokich (kwarków t). To rzadkie wydarzenie zarejestrowały zespoły pracujący przy eksperymentach ATLAS i CMS, a może ono pozwolić na badanie zjawisk fizycznych wykraczających poza Model Standardowy.
Co niezwykle ważne, obserwacje dokonane zarówno przez ATLAS jak i CMS przekraczają statystyczny poziom ufności 5σ, przy którym można mówić o dokonaniu odkrycia. W przypadku ATLAS poziom ten wyniósł 6.1σ, a w przypadku CMS – 5.5σ.
Kwark wysoki to najbardziej masywna cząstka Modelu Standardowego, a to oznacza, że jest najsilniej powiązana z bozonem Higgsa. Dzięki temu kwarki t to najlepsze cząstki mogące posłużyć do badania fizyki poza Modelem Standardowym.
Najczęściej kwarki t obserwowane są w parach z odpowiadającym im antykwarkiem. Czasem powstają samodzielnie. Według Modelu Standardowego istnieje możliwość jednoczesnego powstania czterech kwarków wysokich czyli dwóch par składających się z kwarka i antykwarka. Jednak prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest 70 tysięcy razy mniejsze niż prawdopodobieństwo powstania pary kwark-antykwark. Zatem uchwycenie czterech kwarków t jest niezwykle trudne.
ATLAS już w roku 2020 i 2021 zarejestrował pewne sygnały sugerujące, że doszło do jednoczesnego powstania czterech kwarków t, a CMS wykrył taki sygnał w 2022 roku, jednak dotychczas poza pewnym wskazówkami, nigdy nie zdobyto pewności. Nie zarejestrowano takiego wydarzenia.
Nie dość, że to rzadkie wydarzenie, jest ono trudne do zarejestrowania. Fizycy, rozglądając się za konkretnymi cząstkami, szukają ich sygnatur, czyli produktów rozpadu. Kwark t rozpada się na bozon W i kwark niski (kwark b), a bozon W rozpada się następnie albo na naładowany lepton i neutrino, albo na parę kwark-antykwark. A to oznacza, że sygnatura wydarzenia, w ramach którego jednocześnie powstały cztery kwarki t może zawierać od 0 do 4 naładowanych leptonów i do 12 dżetów powstających w wyniku hadronizacji kwarków. Znalezienie takiej sygnatury jest więc trudne.
Na potrzeby badań naukowcy z ATLAS i CMS wykorzystali nowatorskie techniki maszynowego uczenia, dzięki którym algorytm wyłowił z olbrzymiej ilości danych te informacje, które mogły być sygnaturami powstania czterech kwarków t. Skoro się to udało, naukowcy mają nadzieję, że podczas obecnie trwającej kampanii badawczej – Run 3 – zarejestrowanych zostanie więcej tego typu zdarzeń. Run 3 potrwa, z przerwami, do końca 2025 roku. W grudniu 2025 Wielki Zderzacz Hadronów zostanie zamknięty, a przerwa potrwa aż do lutego 2029.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.