'Holy Grail' Hadron: Forskere Er Tæt På At Opdage Det Enestående Tetraquark-Partikel

{h1}

Ligesom at finde en nål i en høstak af høstakker

Flit, zip, jitter, boom. Quarks, de små partikler, der udgør alt håndgribeligt i universet, forbliver dybt mystiske for fysikere selv 53 år efter, at forskerne først begyndte at mistanke om, at disse partikler eksisterer. De går rundt i kanten af ​​de videnskabelige instrumenters følsomhed, er squirreled væk inde i større partikler og forfalder fra deres højere former til deres enkleste halvdelen af ​​den tid, det tager en stråle af lys at krydse et saltkorn. De små buggere giver ikke op deres hemmeligheder let.

Derfor tog det mere end fem årtier for fysikere at bekræfte eksistensen af ​​en eksotisk partikel, de har jaget siden begyndelsen af ​​quark science: den massive (i det mindste i subatomære partikel termer), elusive tetraquark.

Fysikere Marek Karliner fra Tel Aviv Universitet og Jonathan Rosner fra University of Chicago har bekræftet, at den mærkelige massive tetraquark kan eksistere i sin reneste, sandeste form: fire partikler, der alle interagerer med hinanden i en enkelt større partikel uden barrierer holde dem adskilt. Det er stabilt, de har fundet og kan sandsynligvis genereres på Large Hadron Collider, en partikelsmasher ved CERN partikelfysiklaboratoriet i Schweiz, rapporterer de i et papir, der skal offentliggøres i et kommende nummer af tidsskriftet Physical Review Letters. [Beyond Higgs: 5 Elusive Particles That May Lurk In The Universe]

Hold op - hvad quark er en kvark?

Hvis du ved lidt om partikelfysik, ved du sikkert, at alt med masse består af atomer. Dykker lidt dybere i partikelfysik ville afsløre, at disse atomer består af subatomære partikler - protoner, neutroner og elektroner. Et endnu dybere udseende ville afsløre kvarker.

Neutroner og protoner er de mest almindelige eksempler på en klasse af partikler kendt som hadroner. Hvis du kunne kigge ind i en hadron, ville du opdage, at den består af endnu mere grundlæggende partikler, der klæber tæt sammen. Det er kvarker.

Et diagram viser, hvordan kvarker normalt passer ind i vores forståelse af små partikler.

Et diagram viser, hvordan kvarker normalt passer ind i vores forståelse af små partikler.

Kredit: Udaix / Shutterstock

Ligesom atomer, der vedtager forskellige egenskaber afhængigt af kombinationerne af protoner og neutroner i deres kerne, harroner henter deres egenskaber fra kombinationer af deres bopæl. En proton? Det er to "op" kvarker og en "ned" kvark. Neutroner? De består af to "down" kvarker og en "up" quark. [Wacky Physics: De fedeste små partikler i naturen]

(Elektroner er ikke lavet af kvarker, fordi de ikke er harroner - de er leptoner, en del af en klasse af fjerne kusiner af kvarker.)

"Up" og "down" er de mest almindelige smag af quark, men de er kun to ud af seks. De andre fire "charme", "top", "mærkelige" og "bund" kvarker eksisterede i øjeblikket efter big bang, og de forekommer i ekstreme situationer, som f.eks. Under højhastighedskollisioner i partikelkollider. Men de er meget tungere end op og ned kvarker, og de har tendens til at henfalde i deres lettere søskende indenfor øjeblikke efter deres skabelse.

Men de tungere kvarker kan vare længe nok til at binde sammen til mærkelige hadroner med usædvanlige egenskaber, der er stabile for de meget korte levetider i kvarkerne, der glider rundt i dem. Nogle gode eksempler: den "dobbelt charmerede baryon" eller en hadron bestående af to charme kvarker og en lettere kvark; og dens fætter dannet, da en hadron bestod af to voluminøse bundkvarker og en lettere kvarkfuse sammen i en flash kraftigere end de individuelle fusionsreaktioner inde i hydrogenbomber. (Bemærk, at den nederste kvarkfusion er militært ubrugelig takket være tunge kvarkers korte levetid.)

Spiller med farver

"Mistanke havde været i mange år, at [tetraquarken] er umulig," fortalte Karliner WordsSideKick.com.

Det skyldes, at fysiske love foreslog, at fire kvarker faktisk ikke kunne binde sammen til en stabil hadron. Her er hvorfor: Ligesom i atomer, hvor tiltrækkelsen mellem positivt ladede protoner og negativt ladede elektroner er, hvad der holder dem sammen, er også hadrons holdt sammen af ​​kræfter. I atomer forsøger positive og negative partikler konstant at neutralisere deres ladninger til nul, så protoner og elektroner holder sammen og afbryder hinanden. [7 mærkelige fakta om Quarks]

Quarks har positive og negative elektrodynamiske ladninger, men de interagerer også med hinanden via den meget kraftigere "stærke" kraft. Og den stærke kraft har også afgifter, kaldet farveafgifter: rød, grøn og blå.

Enhver kvark kan have nogen farveafgift. Og når de binder sammen for at danne hadroner, skal alle disse afgifter annullere. Så en rød kvark skal f.eks. Tilslutte sig enten en grøn kvark og en blå kvark eller dens antimatter twin - en "antikvark" med en farveladning af "antired". (Dette er din hjerne på kvantemekanik.) Enhver kombination af en farve og dens anticolor eller alle tre farver, der klæber sammen, har en neutral farveafgift. Fysikere kalder disse partikler "hvid".

Den tetraquark: Det er som et forhold (ved at det ikke altid fungerer)

Så sagde Karliner, det er ikke svært at forestille sig en firekvark hadron: Bare hold to kvarker til to matchende antikviteter. Men bare fordi du holder fire matchende kvarker sammen, sagde han, betyder det ikke, at de vil være stabile nok til at danne en faktisk hadron - de kunne flyve fra hinanden.

"Bare fordi du flytter to mænd og to kvinder i en lejlighed," sagde Karliner, "betyder ikke, at de vil slå sig ned og danne en nuklearfamilie."

Quarks har masse, hvilke fysikere måler i enheder af energi: megaelectron volt eller MeV. Når de binder sammen, konverterer en del af den masse til den bindende energi, der holder dem sammen, også målt i MeV. (Husk Einsteins E = mc ^ 2? Det er energi er lig med massetider-hastigheden af ​​lys-kvadratet, ligningen der styrer denne omdannelse.)

Hvis massen er for høj i sammenligning med bindekraften, vil kvarkens energi omsorg rundt inde i hadronen rive partiklen fra hinanden. Hvis det er lavt nok, vil partiklen leve tilstrækkeligt lang tid til kvarkerne at slå sig ned og udvikle gruppegenskaber, før de forfalder. En stor, glad kvarkfoursomfamilie skal have en masse lavere end to mesoner (eller kvark-antikvitetspar) fast i hinanden, ifølge Karliner.

Uheldigvis er massen af ​​en kvarkfamilie efter en del af dens masse omdannet til bindende kraft utroligt vanskelig at beregne, hvilket gør det svært at finde ud af om en given teoretisk partikel er stabil.

Forskere har kendt i omkring et årti, at mesoner kan binde sig til andre mesoner for at danne ad hoc tetraquarks, hvorfor du måske har set rapporter, der forutser forekomsten af ​​tetraquarks før. Men i disse tetraquarks interagerer hver kvark primært med parret. I en sand tetraquark ville alle fire blande hinanden ligeligt.

"Det er charmerende og interessant, men ikke det samme," sagde Karliner. "Det er meget anderledes at have to par i forskellige rum, der deler en lejlighed, og to mænd og to kvinder alle sammen med alle... interagerer med alle andre."

Men disse dobbelt-meson tetraquarks giver den massetærskel, som sande tetraquarks skal krydse for at være stabile, sagde han.

En nål i en høstak af høstakker

I teorien sagde Karliner, at det ville være muligt at forudse eksistensen af ​​en stabil tetraquark fra ren beregning. Men involveret kvantemekanik var bare for svært at gøre arbejde med en rimelig grad af tillid.

Karliner og Rosner's vigtigste indsigt var, at du kunne begynde at finde ud af massen og bindende energi af sjældne hadroner analogt med mere almindelige hadroner, der allerede var blevet målt.

Husk at dobbelt charmeret baryon fra tidligere? Og dens eksplosive fætter med de to bund kvarker? I 2013 begyndte Karliner og Rosner at mistanke om, at de kunne beregne sin masse, efter nøje at tænke på den bindende energi inde i mesoner bestående af charme kvarker og anticharm kvarker.

Kvantemekanik tyder på, at to forskellige farvede charme kvarker - en rød charme og en grøn charme - burde binde sammen med nøjagtigt halvdelen af ​​en charmerkvarks energi og dens antimatter twin - sige en rød charme quark og en fortryllet charme antikvark. Og videnskabsmænd har allerede målt energien af ​​det bånd, så energien i acharm-charm bond burde være halvdelen af ​​det.

Så arbejdede Karliner og Rosner med disse tal, og de fandt ud af, at den dobbeltbelagte baryon og dobbeltbundet baryon skulle have en masse på 3627 MeV, plus eller minus 12 MeV. De offentliggjorde deres papirer og skød eksperimentisterne på CERN (Den Europæiske Organisation for Nuklearforskning) for at starte jagt, sagde Karliner.

LHCb detektoren på CERN.

LHCb detektoren på CERN.

Kredit: CERN

Men Karliner og Rosner tilbød CERN et kørekort, og til sidst tiltrådte CERN-forskerne. I juli 2017 dukkede de første konkrete dobbelthårede baryoner op i Large Hadron Collider (LHC). [Billeder: Verdens største Atom Smasher (LHC)] "Forsøgsmedlemmerne var ret skeptiske i starten", at det ville være muligt at finde de dobbelt charmerede baryoner i den virkelige verden, sagde Karliner. "Det er som at kigge efter en nål ikke i en høstak, men i en høstak af høstacker."

"Vi forudsagde i 2014, at massen af ​​denne dobbelthårede baryon skulle være 3.627 MeV, give eller tage 12 MeV," sagde Karliner. "LHC målt 3,621 MeV, giv eller tag 1 MeV."

Med andre ord spikede de det.

Og fordi deres beregning viste sig at være korrekt, havde Karliner og Rosner et kørekort til den sande stabile tetraquark.

En stor, fed, glad familie

I kvantemekanik forklarede Karliner, at der er en generel regel om, at tungere kvarker har tendens til at binde meget tættere på hinanden end lettere kvarker gør. Så hvis du vil finde en stabil tetraquark, vil det nok involvere nogle kvarker fra den tyngre ende af smagsspektret.

Karliner og Rosner kom til at arbejde, så snart den dobbelte charmerede baryonmåling blev annonceret. Først beregner de massen af ​​en tetraquark bestående af to charme kvarker og to lettere antikviteter; charme kvarker er jo temmelig klumpede, omkring 1,5 gange massen af ​​en proton. Resultatet? En dobbelt-charmet tetraquark viser sig at være lige på kanten af ​​stabile og ustabile, med plads til fejl på begge sider - med andre ord for usikkert at kalde en opdagelse.

Men charme kvarker er ikke de tungeste kvarker rundt. Indtast den nederste kvark, et ægte monster af en elementær partikel på ca. 3,5 gange massen af ​​sin charmerende søskende, med et ledsagende spring i bindende energi.

Sammenkæler to af dem sammen, beregnes Karliner og Rosner sammen med en up antiquark og en down antiquark, og du ender med en stabil foursome - konverterer så meget af deres masse til bindende energi, at de ender op med 215 MeV under maksimum masse tærskel, med en fejlmargin på kun 12 MeV.

"Resultatet af alt dette er, at vi nu har en robust forudsigelse for massen af ​​dette objekt, som havde været den hellige gral af denne gren af ​​teoretisk fysik," sagde Karliner.

Denne slags tetraquark vil ikke leve meget længe, ​​når den er skabt; det blinker ud efter blot en tiendedel af en picosekund, eller hvor lang tid det tager en stråle af lys at krydse en enkelt mikroskopisk hudcelle. Det vil så falde til enklere kombinationer af op og ned kvarker. Men at 0,1 picosekunder (en ti-billedel af et sekund) er tilstrækkeligt lang nok på den kvante mekaniske skala til at betragtes som en stabil partikel.

"Det er som om du sammenlignede en menneskelig levetid med [kontinternes bevægelse]," sagde Karliner. "Hvis du har nogle væsener, der lever på omfanget af fraktioner af sekunder, ville et menneskeligt liv synes næsten uendeligt."

Frem til Schweiz

Det næste skridt, når en partikel er blevet forudsagt af teoretikere, er for eksperimenterne på CERN at forsøge at skabe den i de miles lange rør af deres partikelmaskere, LHC.

Det kan være en frygtelig proces, især på grund af de særlige egenskaber ved bundkvarks.

LHC'en arbejder ved at smække protoner sammen i store brøkdele af lysets hastighed og frigive tilstrækkelig energi til collideren, at noget af det vender tilbage til massen. Og en lille smule brøkdel af denne masse vil kondensere til sjældne former for materie - som den dobbelte charmerede baryon.

Men jo tyngre en partikel er, desto lavere er oddsene, som det kommer til at være i LHC. Og bund kvarker er usædvanligt usandsynlige kreationer.

For at opbygge en tetraquark sagde Karliner, at LHC skal generere to bund kvarker i tæt nærhed til hinanden, at de binder, og så "dekorere" dem med to lette antikviteter. Og så skal det igen og igen - indtil det er sket nok gange, at forskerne kan være sikre på deres resultater.

Men det er ikke så usandsynligt, som det kan lyde.

"Det viser sig, at hvis du overvejer, hvordan du vil lave sådanne ting i et laboratorium," sagde Karliner, "sandsynligheden for at gøre dem er kun lidt mindre sandsynlig end at finde den baryon med to bund kvarker og en let kvark."

Og den jagt er allerede i gang.

Når den to-bund-kvarkbaryon er opdaget, sagde Karliner - et resultat, han forventer inden for de næste par år - "uret begynder at krybe" på tetraquarkens udseende.

Et eller andet sted derude i etheren er en hadron, at fysikere har jagt i 53 år. Men nu har de fanget sin duft.

Redaktørens note: Denne artikel blev opdateret for at korrigere en masse af forskerens tidligere dobbelt-charmede baryon forudsigelse. Det var 3.627 MeV, ikke 4.627 MeV.

Oprindeligt udgivet på WordsSideKick.com.


Video Supplement: .




Forskning


Curtiss P-40 Warhawk
Curtiss P-40 Warhawk

Kan Skræmme Gøre Håret Pludselig Hvidt?
Kan Skræmme Gøre Håret Pludselig Hvidt?

Videnskab Nyheder


Videnskaben Om At Finde Den Perfekte Julegave
Videnskaben Om At Finde Den Perfekte Julegave

'Twilight Zone' Horror Story: Lionfish Prey På Ukendte Fiskearter
'Twilight Zone' Horror Story: Lionfish Prey På Ukendte Fiskearter

Female Dragonflies Play Dead To Escape Stalking Male
Female Dragonflies Play Dead To Escape Stalking Male

Vaginal Født Vs C-Sektion: Fordele Og Ulemper
Vaginal Født Vs C-Sektion: Fordele Og Ulemper

Unge Amerikanere Vælger Edison Som 'Største Innovator' Over Steve Jobs
Unge Amerikanere Vælger Edison Som 'Største Innovator' Over Steve Jobs


DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com