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

Precyzyjne pomiary masy kwarka górnego przybliżają nas do poznania tajemnic wszechświata

Recommended Posts

Naukowcy z CERN-u dokonali najbardziej precyzyjnych pomiarów masy kwarka górnego. To najcięższa z cząstek elementarnych, a poznanie jej masy jest niezbędne do poznania zasad funkcjonowania wszechświata w najmniejsze skali.

Najnowsze wyniki uzyskane przez zespół pracujący przy eksperymencie CMS (Compact Muon Solenoid) w Wielkim Zderzaczu Hadronów pozwoliły na poznanie masy kwarka górnego z dokładnością około 0,27%. Tak olbrzymią precyzję udało się osiągnąć dzięki wykorzystaniu  nowych metod analitycznych oraz poprawienia procedur dotyczących radzenia sobie z niepewnościami pomiaru.

Znajomość masy najcięższej z cząstek to kluczowy element, który pozwoli przetestować matematyczną spójność całego modelu cząstek elementarnych. Na przykład, jeśli znalibyśmy dokładną masę bozonu W i bozonu Higgsa, moglibyśmy – korzystając z Modelu Standardowego – poznać dokładną masę kwarka górnego. Podobnie działa to w drugą stronę – poznanie dokładnej masy kwarka górnego i bozonu Higgsa, pozwoli na wyliczenie dokładnej masy bozonu W. Fizyka teoretyczna dokonała na tym polu olbrzymich postępów, jednak wciąż trudno jest dokładnie określić masę kwarka górnego. Tymczasem dla zrozumienia wszechświata, a szczególnie jego stabilności, potrzebujemy jak najbardziej precyzyjnych informacji o masie bozonu Higgsa i kwarka górnego. Z dotychczas dostępnych informacji na temat masy kwarka górnego wiemy, że wszechświat znajduje się bardzo blisko stanu metastabilnego. Jeśli masa kwarka górnego byłaby minimalnie inna, wszechświat w długim terminie byłby mniej stabilny i mógłby zakończyć swój żywot podczas gwałtownego wydarzenia podobnego do Wielkiego Wybuchu.

Podczas ostatnich badań naukowcy z CMS wykorzystali dane zebrane przez CMS w 2016 roku podczas zderzeń protonów. Wzięli pod uwagę pięć różnych właściwości zderzeń, podczas których powstawała para kwarków górnych. Właściwości te zależą właśnie od masy kwarka górnego. Dotychczas przy tego typu badaniach pod uwagę brano trzy właściwości. Ponadto naukowcy przeprowadzili ekstremalnie precyzyjną kalibrację danych z CMS, dzięki czemu lepiej zrozumieli wszelkie niepewności pomiaru i ich wzajemne zależności. Po przeprowadzeniu odpowiednich obliczeń stwierdzili, że masa kwarka górnego wynosi 171,77±0,38 GeV. Jest ona zatem zgodna zarówno z wcześniejszymi pomiarami, jak i z założeniami Modelu Standardowego.


« 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
      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
    • By 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
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Wielki Zderzacz Hadronów, a dokładniej jeden z jego mniejszych eksperymentów – LHCb – zarejestrował nowy rodzaj pentakwarka oraz nigdy wcześniej nie widzianą parę tetrakwarków, w skład której wchodzi nowy typ tetrakwarka. Tym samym rodzina hadronów powiększyła się o trzech egzotycznych członków.
      Kwarki to cząstki elementarne. Zwykle kwarki łączą się w grupy po dwa lub trzy, tworząc hadrony. Z trzech kwarków składają się np. protony i neutrony tworzące jądro atomu. Czasem jednak kwarki łączą się w grupy po cztery czy pięć, wówczas mówimy o tetra- i pentakwarkach. ich istnienie przewidziano teoretycznie w tym samym czasie, co istnienie „zwykłych” hadronów. Jednak tetra- i pentakwarki obserwujemy dopiero od początku obecnego wieku.
      Większość odkrytych tetra- i pentakwarków zawiera kwark powabny i antykwark powabny, a pozostałe kwarki to kwark górny, dolny, dziwny lub ich antycząstki. Jednak w ciągu ostatnich lat naukowcy przy LHCb zaczęli rejestrować inne rodzaje egzotycznych hadronów.
      Tak jest i tym razem. Uczeni z LHCb poinformowali właśnie, że podczas rozpadu mezonów B o ładunku ujemnym, zarejestrowano pentakwarka złożonego z kwarka powabnego, antykwarka powabnego oraz kwarków górnego, dolnego i dziwnego. To pierwszy znany pentakwark zawierający kwark dziwny. Poziom ufności (σ) wynosi w przypadku tej obserwacji wynosi 15, czyli znacznie więcej niż sigma 5 przy którym fizycy mówią o odkryciu nowej cząstki.
      Drugie odkrycie to podwójnie naładowany tetrakwark o otwartym powabie, składający się z kwarka powabnego, antykwarka dziwnego, kwarka górnego i antykwarka dolnego. Towarzyszył mu neutralny tetrakwark. W przypadku tetrakwarka podwójnie naładowanego σ=6,5, a w przypadku jego towarzysza jest to 8, więc w obu przypadkach możemy mówić o odkryciu. To pierwszy raz, gdy odkryto parę tetrakwarków.
      Im więcej badań przeprowadzamy, tym więcej odkrywamy egzotycznych hadronów. To podobna sytuacja jak w latach 50. ubiegłego wieku, gdy naukowcy trafili na całe „zoo cząstek”, dzięki czemu w latach 60. mogli stworzyć kwarkowy model hadronów. Teraz tworzymy „zoo cząstek 2.0”" – powiedział koordynator projektu LHCb Niels Tuning.
      Obecnie niektóre modele teoretyczne opisują egzotyczne hadrony jako pojedyncze cząstki składające się ze ściśle powiązanych ze sobą kwarków. Natomiast według innych modeli są to pary luźno powiązanych standardowych hadronów, tworzących struktury podobne do molekuł. Dopiero kolejne badania pozwolą odpowiedzieć na pytanie, czym naprawdę są egzotyczne hadrony.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy starają się określić własności grawitonu – hipotetycznej cząstki przenoszącej oddziaływanie grawitacyjne. W pracy opublikowanej w czasopiśmie Journal of High Energy Astrophysics prof. Marek Biesiada wraz ze współpracownikami na podstawie analizy 12 gromad galaktyk przedstawili nowe ograniczenie na masę grawitonu. Jest ono o siedem rzędów wielkości silniejsze niż ograniczenia wynikające z obserwacji fal grawitacyjnych.
      Ogólna Teoria Względności (OTW) zmieniła nasze wyobrażenia o grawitacji. W myśl OTW, materia zakrzywia czasoprzestrzeń, a wszystkie obiekty, jeśli nie podlegają wpływowi innych, niegrawitacyjnych oddziaływań, to poruszają się w tej zakrzywionej czasoprzestrzeni po szczególnych trajektoriach zwanych geodezyjnymi. Dla niezbyt dużych zakrzywień czasoprzestrzeni i niewielkich prędkości, w porównaniu do prędkości światła, teoria Einsteina odtwarza prawo powszechnego ciążenia Newtona, które z powodzeniem stosujemy nadal do opisu ruchu planet, czy gwiazd w galaktykach.
      Wiemy, że pozostałe trzy oddziaływania fundamentalne – długozasięgowe oddziaływanie elektromagnetyczne, oraz oddziaływania słabe i silne rządzące materią na poziomie subatomowym - mają naturę kwantową. W opisie kwantowym oddziaływanie polega na wymianie przenoszącej je cząstki (bozonu). Dla elektromagnetyzmu jest to foton – cząstka światła, kwant fali elektromagnetycznej. Dla oddziaływań silnych i słabych są to odpowiednio gluony oraz bozony Z i W. Od przeszło stu lat fizycy próbują w ten sam sposób spojrzeć na powszechne ciążenie, poszukując kwantowej teorii grawitacji. Przez analogię do innych oddziaływań, hipotetyczną cząstką przenoszącą grawitację miałby być tzw. grawiton. Ze względu na nieskończony zasięg oddziaływań grawitacyjnych słabnących z kwadratem odległości, grawiton – podobnie jak foton – powinien być bezmasowy. Są to jednak tylko przewidywania teoretyczne, które trzeba zweryfikować eksperymentalnie.
      Badając własności hipotetycznego grawitonu można postawić pytanie odwrotne: jakie, dające się zaobserwować konsekwencje, powinny się ujawnić w dostępnym nam obrazie Wszechświata i jego dynamiki, gdyby jednak grawiton miał inne cechy niż się spodziewamy – na przykład, gdyby miał bardzo małą, ale jednak niezerową masę? Jeśli dane obserwacyjne – zawsze obarczone niepewnością – pozostają w zgodzie z hipotezą bezmasowego grawitonu, to niepewność związana z tymi danymi pozwala na oszacowanie z góry maksymalnej masy grawitonu, czyli pozwala odpowiedzieć na pytanie jak lekki może być grawiton, by konsekwencje wynikające z jego masy nie kłóciły się jeszcze z danymi obserwacyjnymi. W pracy opublikowanej w czasopiśmie Journal of High Energy Astrophysics prof. Marek Biesiada z NCBJ wspólnie z dr Aleksandrą Piórkowską-Kurpas z Uniwersytetu Śląskiego oraz prof. Shuo Cao z Bejing Normal University uzyskali w ten sposób ograniczenie na masę grawitonu mg < 5·10-29 eV.
      Z każdą cząstką związana jest charakterystyczna długość tzw. fali Comptona – odwrotnie proporcjonalna do jej masy – wyjaśnia prof. Marek Biesiada. Im większa masa, tym mniejsza długość tej fali. W przypadku cząstek przenoszących oddziaływania, długość fali Comptona określa zasięg oddziaływania. Zerowa masa oznacza nieskończoną długość fali Comptona, czyli zasięg nieskończony. W przypadku elektromagnetyzmu teoria przewiduje, że foton powinien być bezmasowy. Podobnie jest w przypadku grawitacji. Zatem badania masy grawitonu są w istocie testem teorii. Są testem bardzo istotnym, gdyż niektórzy badacze proponowali teorie modyfikujące OTW, które przewidują, że zasięg oddziaływania grawitacyjnego powinien być skończony. W teoriach takich modyfikacji ulega potencjał Newtonowski: na dużych odległościach siła przyciągania grawitacyjnego maleje szybciej niż z kwadratem odległości.
      Obecnie dysponujemy coraz dokładniejszymi pomiarami mas gromad galaktyk w funkcji odległości od centrum. Jest to możliwe dzięki połączeniu obserwacji w promieniach X oraz kosmologicznego promieniowania mikrofalowego, zarejestrowanego przez satelitę Planck.
      W naszych badaniach wykorzystaliśmy pomiary mas 12 gromad galaktyk z próbki X-COP, testując możliwe odstępstwa od potencjału Newtonowskiego – dodaje profesor Biesiada. W rezultacie uzyskaliśmy jedno z najsilniejszych ograniczeń górnych na masę grawitonu. Jest ono siedem rzędów wielkości (10 mln razy) silniejsze od ograniczeń dostarczonych z obserwacji fal grawitacyjnych przez detektory LIGO-Virgo.
      Naukowcy NCBJ uczestniczą we wszystkich, kluczowych dla kosmologii, toczących się obecnie i planowanych projektach. Będą one z pewnością przynosić nowe, coraz dokładniejsze testy fizyki fundamentalnej.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Po 10 latach analiz i wielokrotnego sprawdzania wyników, badacze z projektu CDF collaboration prowadzonego przez Fermi National Accelarator Laboratory (Fermilab) ogłosili, że dokonali najbardziej precyzyjnych pomiarów masy bozonu W, nośnika jednego z czterech podstawowych oddziaływań fizycznych. Uzyskane wyniki sugerują, że Model Standardowy powinien zostać poprawiony lub poszerzony.
      Znamy cztery podstawowe oddziaływania fizyczne: grawitacyjne, słabe, elektromagnetyczne i silne. Bozon W jest nośnikiem oddziaływań słabych. Specjaliści z Fermilab, wykorzystując dane z Collider Detector at Fermilab (CDF) okreslili masę bozonu W z dokładnością do 0,01%. Pomiar jest dwukrotnie bardziej dokładny niż dotychczasowe. Po jego wykonaniu  naukowcy wykorzystali nową wartość do przetestowania Modelu Standardowego.
      Wprowadziliśmy olbrzymią liczbę poprawek i dodatkowych weryfikacji. Wzięliśmy pod uwagę nasze lepsze rozumienie samego wykrywacza cząstek oraz postępy w teoretycznym i eksperymentalnym rozumieniu interakcji bozonu W z innymi cząstkami. Gdy w końcu przeprowadziliśmy wszystkie obliczenia okazało się, że różnią się one od przewidywań Modelu Standardowego, mówi Ashutosh V. Kotwal z Duke University, który stał na czele grupy wykonującej obliczenia. Jest on jednym z 400 naukowców skupionych wokół CDF collaboration.
      Nowe pomiary w wielu aspektach zgadzają się z wcześniejszymi pomiarami masy bozonu W, ale w niektórych są z nimi rozbieżne. Dlatego też konieczne będą kolejne badania. To bardzo intrygujące wyniki, ale do ich pełnego wyjaśnienie konieczne jest potwierdzenie w ramach innych eksperymentów, mówi zastępca dyrektora Fermilab, Joe Lykken.
      Bozon W, nośnik oddziaływań słabych, jest m.in odpowiedzialny za procesy powodujące, że Słońce świeci, a cząstki się rozpadają. Fermilab, a którym działał niezwykle zasłużony dla nauki akcelerator Tevatron, dysponuje olbrzymią ilością danych zbieranych w latach 1985–2011. Pomiary CDF były prowadzone przez wiele lat. Wyniki tych pomiarów były ukryte w danych, które trzeba było szczegółowo przeanalizować. Gdy w końcu je uzyskaliśmy, byliśmy zdumieni, mówi fizyk Chris Hays z Uniwersytetu Oksfordzkiego.
      Masa bozonu W jest około 80-krotnie większa od masy protonu i wynosi około 80 000 MeV/c2. Teraz naukowcy z Fermilab ją uściślili. Dzięki ich pracy wiemy, że wynosi ona 80 433 ± 9 MeV/c2. Wynik ten bazuje na badaniach 4,2 milionów bozonów W uzyskanych w Fermilab.
      W ciągu ostatnich 40 lat eksperymenty w wielu akceleratorach pozwoliły na badanie bozonu W. To bardzo trudne, złożone pomiary, które cały czas są doprecyzowywane. Nam praca zajęła wiele lat. Dokonaliśmy najbardziej precyzyjnych pomiarów, dzięki czemu mogliśmy stwierdzić, że istnieje rozbieżność pomiędzy wartością zmierzoną, a oczekiwaną, mówi rzecznik CDF collaboration Giogrio Chiarelli z Włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej.
      Najbardziej precyzyjne obliczenia masy bozonu W wykonane na podstawie Modelu Standardowego – w których wykorzystuje się pomiary masy kwarka górnego i bozonu Higgsa – dają wynik 80 357 ± 6 MeV/c2. Różnica pomiędzy teoretycznymi obliczeniami a wykonanymi pomiarami jest więc widoczna. Teraz autorzy kolejnych eksperymentów oraz fizycy teoretyczni powinni spróbować ją wyjaśnić. Jeśli różnica pomiędzy wynikiem eksperymentów a teoretycznymi obliczeniami jest spowodowana istnieniem jakiegoś nowego oddziaływania – a to tylko jedna z możliwości – to przyszłe eksperymenty powinny je wykryć.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...