Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Wielki Zderzacz Hadronów odkrył wyjątkowy tetrakwark. Może należeć do nieznanej klasy cząstek

Recommended Posts

Wielki Zderzacz Hadronów odkrył nieznaną dotychczas cząstkę składającą się z czterech kwarków. Naukowcy pracujący przy eksperymencie LHCb poinformowali o zarejestrowaniu tetrakwarka, który może być pierwszą z nieznanej dotychczas klasy cząstek. Odkrycie pozwoli fizykom na zrozumienie sposobu, w jaki kwarki tworzą inne cząstki, jak protony i neutrony obecne w jądrze atomowym.

Kwarki zwykle łączą się w grupy po dwa lub trzy tworząc hadrony. Przez dziesięciolecia teoretycy przewidywali, że istnieją hadrony złożone z czterech i pięciu kwarków, zwane tetra- i pentakwarkami. W ciągu ostatnich lat udało się potwierdzić ich istnienie. Informowaliśmy zarówno o niezwykłym tetrakwarku, jak i o pentakwarkach odkrytych przez polskiego uczonego.

Już samo istnienie cząstek stworzonych z czterech kwarków jest czymś niezwykłym. Teraz odkryliśmy pierwszą cząstkę złożoną z czterech ciężkich kwarków tego samego typu. Jest ona zbudowana z dwóch kwarków powabnych i dwóch antykwarków powabnych, mówi Giovanni Passaleva, rzecznik prasowy LHCb. Dotychczas znaliśmy tetrakwarki składające się co najwyżej z dwóch ciężkich kwarków i nigdy nie zawierały one więcej niż dwóch kwarków tego samego typu.

Odkrycie egzotycznych ciężkich cząstek to dla naukowców okazja, by przetestować modele teoretyczne, które następnie można będzie wykorzystać do wyjaśnienia natury materii. Dzięki niezwykłemu tetrakwarkowi możemy więcej dowiedzieć się o protonach i neutronach.

Nową cząstkę odkryto analizując nadmiarowe sygnały pochodzące ze zderzeń. Podczas przeszukiwania pełnych danych z dwóch kampanii badawczych LHC (2009–2013 i 2015–2018) naukowcy natknęli się na skok w dystrybucji masy pary cząstek J/ψ, która zawiera kwark powabny i antykwark powabny. Istotność statystyczna przekracza w tym przypadku 5 sigma, jest więc powyżej poziomu, od którego z całą pewnością mówimy o odkryciu. Szczegółowa analiza wykazała, że za zauważony nadmiar jest związany z istnieniem wspomnianego tetrakwarka.

Naukowcy – podobnie jak w przypadku wcześniej odkrytych tetrakwarków – nie mają jeszcze pewności, czy mamy do czynienia z „prawdziwym tetrakwarkiem”, w którym wszystkie kwarki są silnie ze sobą związane czy też z dwiema cząstkami składającymi się z dwóch kwarków każda, słabo powiąznymi w strukturze przypominającej molekukłę.

Niezależnie jednak od tego, nowa cząstka pozwoli na testowanie modeli chromodynamiki kwantowej.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Czy neutrinowe oczy ludzkości, obserwatoria takie jak IceCube na Antarktydzie, naprawdę widzą neutrina napływające z głębi kosmosu? Odpowiedź zaczynają przynosić między innymi eksperymenty przy akceleratorze LHC, gdzie bada się wewnętrzną strukturę protonów. Zgodnie z najnowszym modelem, opracowanym przez fizyków z IFJ PAN, struktura ta wydaje się być bogatsza o cząstki powabne w stopniu, który ziemskim obserwatorom neutrin może utrudnić interpretację tego, co widzą.
      Wbrew popularnym wyobrażeniom, proton może się składać nie z trzech, ale nawet z pięciu kwarków. Dodatkową parę tworzą wtedy kwark i antykwark powstałe w interakcjach gluonów we wnętrzu protonu. Od dawna przypuszczano, że te „nadmiarowe” pary mogą niekiedy być zbudowane nawet z tak masywnych kwarków i antykwarków jak powabne. Teraz się okazuje, że uwzględnienie wewnętrznego powabu protonów pozwala dokładniej opisać przebieg zjawisk zarejestrowanych niedawno w jednym z niskoenergetycznych eksperymentów w detektorze LHCb przy Wielkim Zderzaczu Hadronów. Stosowny model teoretyczny zaprezentowali fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie na łamach czasopisma „Physical Review D”.
      Szkolne podręczniki malują obraz protonu jako cząstki będącej prostym zlepkiem trzech kwarków: dwóch górnych oraz jednego dolnego, sklejonych oddziaływaniami silnymi przenoszonymi przez gluony. W fizyce tak uproszczony model nie zrobił długiej kariery. Już w końcu lat 80. ubiegłego wieku okazało się, że aby wytłumaczyć obserwowane zjawiska trzeba uwzględnić lekkie kwarki pochodzące z chmury mezonowej w nukleonie (są to tzw. wyższe stany Flocka). Co zaskakujące, efekt wcale nie jest marginalny: może stanowić nawet poprawkę na poziomie 30% w stosunku do prostego modelu trzykwarkowego. Niestety, dotychczas nie potrafiono określić, jak duży jest analogiczny wkład kwarków powabnych.
      Nasze wcześniejsze modele powstawania powabu wielokrotnie wykazywały się zgodnością z eksperymentami. Przy dużych energiach zderzeń protonów, gdy w LHC wzajemnym oddziaływaniom poddawano ich dwie przeciwbieżne wiązki, potrafiliśmy całkiem dobrze opisać produkcję par z udziałem kwarków i antykwarków powabnych. Rzecz jednak w tym, że choć tworzyły się one w trakcie zderzeń protonów, nie pochodziły z ich wnętrz. Powstawały wskutek fuzji gluonów nieco wcześniej wyemitowanych przez protony, mówi prof. dr hab. Antoni Szczurek (IFJ PAN).
      Nadzieję na postęp w tropieniu powabu wewnątrz samych protonów przyniosły niedawne pomiary zrealizowane w detektorze LHCb z użyciem pojedynczej wiązki protonów, wycelowanej w nieruchomą, gazową tarczę z helu bądź argonu.
      Gdy w LHC dochodzi do zderzeń przy największych energiach, spora część cząstek będących produktami kolizji protonów porusza się w kierunku 'do przodu', wzdłuż wiązek protonów. W rezultacie trafiają w obszar, gdzie z przyczyn technicznych nie ma detektorów. Tymczasem zderzenia protonów z jądrami helu, które właśnie poddaliśmy analizie, zachodziły przy energiach nawet kilkadziesiąt razy mniejszych od maksymalnych osiąganych przez LHC. Produkty zderzeń rozbiegały się pod większymi kątami, bardziej na boki, w konsekwencji były rejestrowane w detektorach i mogliśmy się im przyjrzeć, wyjaśnia dr Rafał Maciuła (IFJ PAN).
      Do opisu danych z eksperymentu w detektorze LHCb krakowscy fizycy użyli modelu rozbudowanego o możliwość wybicia z wnętrza protonu kwarku lub antykwarku powabnego. Wyliczenie prawdopodobieństwa takiego procesu z zasad pierwszych nie było możliwe. Badacze postanowili więc sprawdzić, przy jakich wartościach prawdopodobieństwa zgodność przewidywań modelu z zarejestrowanymi danymi będzie największa. Otrzymany wynik sugerował, że wkład par powabnych we wnętrzu protonu nie jest większy niż około 1%.
      Po wybiciu z wnętrza protonu powabna para kwark-antykwark szybko się zmienia w krótkożyjące mezony i antymezony D0, te zaś produkują kolejne cząstki, w tym neutrina. Fakt ten zainspirował fizyków z IFJ PAN do skonfrontowania nowego modelu z danymi zarejestrowanymi przez obserwatorium neutrinowe IceCube na Antarktydzie.
      Obecnie dzięki stosowanym technikom naukowcy z IceCube mają pewność, że jeśli rejestrują neutrino o ogromnej energii (rzędu setek teraelektronowoltów), to oznacza, że cząstka pochodziła z głębi kosmosu. Przyjmuje się ponadto, że neutrina o nieco niższych, ale wciąż rzadko spotykanych dużych energiach, również mają naturę kosmogeniczną. Jeśli jednak z wnętrza protonu można wybić powabną parę kwark-antykwark, rozpadającą się w kaskadzie zawierającej wysokoenergetyczne neutrina, ta interpretacja może zostać podważona. Neutrina w pewnym zakresie energetycznym, rejestrowane obecnie, mogą bowiem pochodzić nie z kosmosu, ale właśnie z kaskad inicjowanych zderzeniami cząstek pierwotnego promieniowania kosmicznego z jądrami gazów atmosferycznych. Artykuł analizujący taką możliwość trafił do druku w czasopiśmie „European Physical Journal C”.
      Przy analizie danych z obserwatorium IceCube przyjęliśmy następującą taktykę. Przyjmijmy, że praktycznie wszystkie obecnie rejestrowane neutrina w badanym przez nas zakresie energetycznym pochodzą z atmosfery. Jaki musiałby być wkład powabnych par kwark-antykwark we wnętrzu protonu, abyśmy za pomocą naszego modelu uzyskali zgodność z dotychczasowymi pomiarami? Proszę sobie wyobrazić, że otrzymaliśmy wartość rzędu jednego procenta, praktycznie identyczną z wartością z modelu opisującego zderzenia proton-hel w detektorze LHCb!, mówi dr Maciuła.
      Zbieżność oszacowań dla obu omówionych przypadków nakazuje zachować dużą ostrożność w określaniu źródeł neutrin rejestrowanych przez współczesne obserwatoria. Krakowscy badacze podkreślają jednak, że ich wyniki nakładają tylko górne ograniczenie na wkład kwarków i antykwarków powabnych w strukturę protonu. Jeśli okaże się on mniejszy, przynajmniej część obecnie wykrywanych neutrin o wielkich energiach zachowa swoją kosmiczną naturę. Jeśli jednak górna granica będzie oszacowaniem poprawnym, nasza interpretacja źródeł ich pochodzenia będzie musiała ulec istotnej zmianie, a IceCube okaże się nie tylko obserwatorium astronomicznym, ale również... atmosferycznym.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Doktor Agnieszka Dziurda z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN stoi na czele międzynarodowego zespołu naukowego, który w CERN prowadzi badania nad oscylacjami cząstek pomiędzy światem materii i antymaterii. Co prawda materia i antymateria wydają się swoimi przeciwieństwami, jednak istnieją cząstki, które raz zachowują się jak należące do świata materii, a raz antymaterii. Grupa doktor Dziurdy zmierzyła właśnie ekstremalne tempo oscylacji takich cząstek.
      Naukowcy wzięli na warsztat mezony Bs0 i za pomocą detektora LHCb z niespotykaną dotychczas dokładnością zbadali ich oscylacje. Nie byli pierwszymi, którzy podjęli się tego zadania. Już w 2006 roku w amerykańskim Fermilab mierzono to zjawisko. Nam udało się teraz poprawić dokładność pierwotnego pomiaru aż o dwa rzędy wielkości, chwali się doktor Dziurda.
      Materia widzialna jest złożona głównie z kwarków górnych, dolnych, elektronów i neutrin elektronowych. Na przykład jądra atomów zbudowane są z protonów (składających się z 2 kwarków górnych i 1 kwarka dolnego) oraz neutronów (1 kwark górny i 2 kwarki dolne). Model Standardowy klasyfikuje kwark górny, dolny, elektron i neutrino elektronowe jako cząstki jednej generacji. Istnieją jeszcze dwie inne generacje, z cząstkami o podobnych właściwościach, ale coraz bardziej masywnych.
      Kwarki nie występują swobodnie. Łączą się z innymi kwarkami. A najprostsze takie połączenie tworzy mezon, złożony z par kwark-antykwark. Mezony mogą przenosić ładunek elektryczny, lecz nie muszą. Te pozbawione ładunku elektrycznego, określane jako neutralne, wykazują frapującą cechę: oscylują między postacią materialną a antymaterialną. My skupiliśmy się na analizie częstotliwości oscylacji neutralnych mezonów zawierających kwark piękny b z trzeciej generacji i kwark dziwny s z drugiej, oznaczonych jako Bs0, mówi doktor Dziurda.
      Mezony są niestabilne i rozpadają się w czasie pikosekund. Jedna pikosekunda to 0,000000000001. Jednak zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, produkty rozpadu neutralnych mezonów są różne, w zależności od tego, czy w momencie rozpadu znajdowały się w świecie materii czy antymaterii. Zatem dopiero po zarejestrowaniu i zidentyfikowaniu produktów rozpadu danego mezonu mogliśmy ustalić, czy rozpadł się on jako reprezentant świata materii, czy antymaterii. Połączenie tej wiedzy z informacją o naturze cząstki w momencie produkcji pozwoliło nam na pomiar częstotliwości oscylacji, stwierdza polska uczona.
      Zespół Dziurdy przeanalizował mezony Bs0 powstałe w latach 2015–2018 w Wielkim Zderzaczu Hadronów jako wynik zderzeń proton-proton o łącznej energii 13 TeV (teraelektronowoltów). Badania wykazały, że mezony te oscylują pomiędzy materią i antymaterią 3 tryliony razy na sekundę. To aż 300-krotnie szybciej niż oscylacje typowego cezowego zegara atomowego.
      Badania takie nie tylko potwierdzają przewidywania mechaniki kwantowej, ale pozwalają zawęzić też obszar poszukiwania nieznanych cząstek spoza Modelu Standardowego.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Fizycy zgadzają się co do tego, że nie istnieje cząstka złożona z samych protonów. Jednak od ponad 50 lat szukają cząstki składającej się z więcej niż 2 neutronów. Naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Monachium poinformowali właśnie, że przeprowadzone przez nich eksperymenty wykazały na możliwość istnienia tetraneutronu, hipotetycznej cząstki złożonej z czterech neutronów. I nie są pierwszymi, którzy na istnienie takiej cząstki wskazują.
      Już 20 lat temu francuscy naukowcy opublikowali wyniki swoich eksperymentów, a wśród nich sygnał, który zinterpretowali jako pojawienie się długo poszukiwanego tetraneutronu. Później jednak inne grupy badawcze wykazały, że metodologia Francuzów nie mogła dowieść istnienia tetraneutronów.
      W 2016 roku Japończycy z RIKEN próbowali uzyskać tetraneutron bombartując hel-4 strumieniem helu-8. W wyniku tych badań stwierdzili, że tetraneutron nie istnieje w stanie związanym, a tworzące go neutrony bardzo szybko rozpierzchają się. Rok później fizycy z USA i Francji stworzyli teoretyczny model tetraneutronu, z którego wynika, że jeśli taka cząstka w ogóle istnieje, to bardzo szybko się rozpada. Nie wiemy więc, czy mogą istnieć tetraneutrony, w których dochodzi do oddziaływań pomiędzy ich poszczególnymi elementami.
      Jeśli jednak tetraneutrony istnieją, może to oznaczać, że fizycy muszą przemyśleć koncepcję oddziaływań silnych. To jedne z czterech oddziaływań podstawowych.
      Oddziaływania silne to ta siła, która trzyma wszystko razem. Atomy cięższe od wodoru nie mogłyby bez niej istnieć, mówi doktor Thomas Faestermann, który stał na czele grupy badawczej  z Monachium.
      Niemcy przeprowadzili badania, w ramach których lit-7 bombardowali strumieniem jąder atomowych litu-7. Uzyskane w ich wyniku pomiary odpowiadają sygnałowi węgla-10 oraz tetraneutronowi o energii wiązania wynoszącej 0,42 MeV (+/- 0,16 MeV). Wynika z nich również, że tetraneutron powinien być tak stabilny jak samodzielny neutron, a czas jego półrozpadu powinien wynieść 450 sekund. Naszym zdaniem to jedyne zgodne z fizyką wyjaśnienie naszych pomiarów, mówi doktor Faestermann.
      Pewność pomiaru wynosi ponad 99,7%. Jednak... to za zbyt mało. Pewność statystyczna dla tej wartości to 3σ. Tymczasem w fizyce istnienie cząstki uznaje się za udowodnione, jeśli pewność statystyczna wynosi co najmniej 5σ. Ten poziom oznacza, że ryzyko, iż sygnał jest fałszywy, wynosi 1:3 500 000. Dlatego też naukowcy z Monachium z niecierpliwością czekają, by inny zespół niezależnie potwierdził ich spostrzeżenia.
      Wyniki badań zostały opublikowane w Physical Letters B.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Podczas Konferencji nt. Fizyki Wysokich Energii Europejskiego Towarzystwa Fizycznego poinformowano o odkryciu w CERN-ie nowej egzotycznej cząstki oznaczonej Tcc+. To tetrakwark, hadron zawierający dwa kwarki i dwa antykwarki. Jest najdłużej żyjącą ze wszystkich egzotycznych cząstek i pierwszym tetrakwarkiem, składającym się z dwóch ciężkich kwarków i dwóch lekkich antykwarków.
      Kwarki to podstawowe cegiełki materii. Łączą się m.in. w bariony, takie jak proton i neutron, złożone z trzech kwarków cz w mezony, składające się z kwarka i antykwarka. W ostatnich latach informowaliśmy o odkryciu kolejnych egzotycznych cząstek, złożonych z czterech (tetra-) i pięciu (penta-) kwarków.
      Dotychczas poznaliśmy kilkanaście tetrakwarków, jednak ten najnowszy jest wyjątkowy. Składa się z dwóch kwarków powabnych oraz antykwarka górnego i dolnego. To pierwszy tetrakwark z dwoma kwarkami powabnymi, które nie zostały zrównoważone antykwarkami powabnymi. Fizycy mówią tutaj o „otwartym powabie”. W tym przypadku mamy więc do czynienia z „podwójnym otwartym powabem”. Cząstki zawierające kwark powabny i antykwark powabny niosą zaś „ukryty powab”.
      Tcc+ ma więcej wyjątkowych właściwości. Jest pierwszym tetrakwarkiem z dwoma ciężkimi kwarkami i dwoma lekkimi antykwarkami. Zgodnie z obowiązującymi teoriami, takie cząstki rozpadają się do mezonów, tworzonych przez ciężki kwark i lekki antykwark. Niektóre teorie mówią, że masa takiego tetrakwarka powinna być bardzo zbliżona do masy obu mezonów, w które tetrakwark się rozpada. Podobieństwo masy powoduje, że rozpad tego typu tetrakwarków jest dość trudny, skutkując ich dłuższym życiem. I rzeczywiście, badacze z LHCb zauważyli, że Tcc+ jest najdłużej istniejącym egzotycznym hadronem jaki znamy.
      Odkrycie to otwiera drogę do poszukiwań jeszcze cięższych cząstek tego typu, gdzie w miejscu jednego lub obu kwarków powabnych będzie znajdował się kwark niski. Z obliczeń wynika, że cząstka zawierająca dwa kwarki niskie byłaby szczególnie interesująca, gdyż jej masa powinna być mniejsza niż suma mas jakiejkolwiek pary mezonów B. To by oznaczała, że cząstka taka nie mogłaby się rozpaść za pośrednictwem oddziaływań silnych. Do jej rozpadu mogłoby dojść za pośrednictwem oddziaływań słabych, a to by oznaczało, że jej czas życia byłby o wiele rzędów wielkości dłuższy niż jakiegokolwiek znanego egzotycznego hadronu.
      Nowy tetrakwark to bardzo dobry obiekt do dalszych badań. Rozpada się w dość łatwe do wykrycia cząstki, emitując przy tym niewielką ilość energii, dzięki czemu możliwe będzie bardzo dokładne badanie Tcc+. Będzie on zatem stanowił dobry obiekt do testowania obowiązujących modeli teoretycznych.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...