'Holy Grail' Hadron: Wetenschappers Zijn Dicht Bij Het Detecteren Van Het Ongrijpbare Tetraquarkdeeltje

{h1}

Zoals het vinden van een speld in een hooiberg met hooibergen

Flit, zip, jitter, boem. Quarks, de kleine deeltjes die alles tastbaar maken in het universum, blijven diep mysterieus voor natuurkundigen, zelfs 53 jaar nadat wetenschappers voor het eerst begonnen te vermoeden dat deze deeltjes bestaan. Ze zwaaien rond aan de rand van de gevoeligheden van wetenschappelijke instrumenten, worden weggejaagd door grotere deeltjes, en vervallen van hun hogere vormen in hun eenvoudigste in de helft van de tijd dat het een lichtstraal nodig heeft om een ​​zoutkorrel over te steken. De kleine buggers geven hun geheimen niet gemakkelijk op.

Daarom duurde het meer dan vijf decennia voordat natuurkundigen het bestaan ​​bevestigden van een exotisch deeltje dat ze sinds het begin van de kwarkwetenschap jagen: de massieve (tenminste in subatomaire deeltjestermen), ongrijpbare tetraquark.

Natuurkundigen Marek Karliner van de Universiteit van Tel Aviv en Jonathan Rosner van de Universiteit van Chicago hebben bevestigd dat het vreemde, massieve tetraquark in zijn puurste, meest ware vorm kan bestaan: vier deeltjes, die allemaal in een enkel groter deeltje met elkaar in wisselwerking staan, zonder barrières ze uit elkaar houden. Het is stabiel, ze hebben het gevonden en kunnen waarschijnlijk worden gegenereerd in de Large Hadron Collider, een deeltjesknaller in het deeltjesfysica-laboratorium CERN in Zwitserland, ze rapporteren in een paper dat zal worden gepubliceerd in een volgend nummer van het tijdschrift Physical Review Letters. [Beyond Higgs: 5 ongrijpbare deeltjes die zich in het heelal kunnen bevinden]

Hold up - wat is de quark een quark?

Als je iets over deeltjesfysica weet, weet je waarschijnlijk dat alles met massa bestaat uit atomen. Duiken een beetje dieper in de deeltjesfysica zou onthullen dat die atomen zijn opgebouwd uit subatomaire deeltjes - protonen, neutronen en elektronen. Een nog diepere blik zou quarks onthullen.

Neutronen en protonen zijn de meest voorkomende voorbeelden van een klasse deeltjes die bekend staat als hadronen. Als je in een hadron zou kunnen kijken, zou je zien dat het uit nog meer basische deeltjes bestaat, stevig aan elkaar vastklampend. Dat zijn quarks.

Een diagram laat zien hoe quarks meestal passen in ons begrip van minuscule deeltjes.

Een diagram laat zien hoe quarks meestal passen in ons begrip van minuscule deeltjes.

Krediet: udaix / Shutterstock

Net als atomen, die verschillende eigenschappen aannemen, afhankelijk van de combinaties van protonen en neutronen in hun kernen, ontlenen hadronen hun eigenschappen aan combinaties van hun ingezeten quarks. Een proton? Dat zijn twee 'up'-quarks en één' down'-quark. Neutronen? Die bestaan ​​uit twee "down" -kwarks en één "up" -kwart. [Wacky Physics: de coolste kleine deeltjes in de natuur]

(Elektronen bestaan ​​niet uit quarks omdat ze geen hadronen zijn - het zijn leptonen, onderdeel van een klasse van verre neven en nichten van quarks.)

"Omhoog" en "omlaag" zijn de meest voorkomende smaken van quark, maar ze zijn slechts twee van de zes. De andere vier - 'charm', 'top', 'vreemde' en 'onderste' quarks - bestonden op momenten na de oerknal en ze verschijnen in extreme situaties, zoals tijdens botsingen met hoge snelheden in deeltjesversnellers. Maar ze zijn veel zwaarder dan op en neer gaande quarks, en ze neigen naar verval in hun lichtere broers en zussen in momenten van hun creatie.

Maar die zwaardere quarks kunnen lang genoeg meegaan om samen te binden tot vreemde hadronen met ongewone eigenschappen die stabiel zijn voor de zeer korte levens van de quarks die erin rondzippen. Enkele goede voorbeelden: de 'dubbel gecharmeerde baryon', of een hadron bestaande uit twee charm-quarks en een lichtere kwark; en zijn neef, gevormd wanneer een hadron bestaande uit twee omvangrijke bottom-quarks en een lichtere quark samensmelten in een flits die krachtiger is dan de individuele fusiereacties in waterstofbommen. (Merk op dat de bottom-quark-fusie militair nutteloos is dankzij de korte levens van zware quarks.)

Spelen met kleuren

"Het vermoeden was al jaren dat [de tetraquark] onmogelijk is", vertelde Karliner aan WordsSideKick.com.

Dat komt omdat fysische wetten suggereerden dat vier quarks niet echt samen konden binden tot een stabiele hadron. Dit is waarom: net als in atomen, waar de aantrekkingskracht tussen positief geladen protonen en negatief geladen elektronen is wat ze bij elkaar houdt, werden ook de hadronen bij elkaar gehouden door krachten. In atomen proberen positieve en negatieve deeltjes constant hun ladingen tot nul te neutraliseren, zodat protonen en elektronen bij elkaar blijven en elkaar opheffen. [7 vreemde feiten over quarks]

Quarks hebben positieve en negatieve elektrodynamische ladingen, maar ze hebben ook interactie met elkaar via de veel krachtiger 'sterke' kracht. En de sterke kracht heeft ook ladingen, kleurkleuren genoemd: rood, groen en blauw.

Elke quark kan elke kleurvulling hebben. En wanneer ze samen binden om hadronen te vormen, moeten al die lasten worden geannuleerd. Dus een rode kwark moet bijvoorbeeld aansluiten bij een groene kwark en een blauwe kwark, of de antimaterie-tweeling - een 'antiquark' met een kleurvulling van 'antired'. (Dit is je brein voor kwantummechanica.) Elke combinatie van een kleur en zijn anticolor, of alle drie kleuren, die aan elkaar plakken, heeft een neutrale kleurlading. Natuurkundigen noemen deze deeltjes 'wit'.

De tetraquark: het is als een relatie (in die zin dat het niet altijd werkt)

Dus, zoals Karliner zei, het is niet moeilijk om een ​​vier-kwark hadron voor te stellen: steek gewoon twee quarks op twee bijpassende antiquarks. Maar alleen omdat je vier bij elkaar passende quarks bij elkaar houdt, zegt hij, wil dat nog niet zeggen dat ze stabiel genoeg zijn om een ​​echte hadron te vormen - ze kunnen uit elkaar vliegen.

"Alleen al omdat je twee mannen en twee vrouwen naar een appartement verplaatst," zei Karliner, "betekent dat niet dat ze zich vestigen en een nucleair gezin vormen."

Quarks hebben massa, die natuurkundigen meten in eenheden van energie: megaelectron volt of MeV. Wanneer ze samen binden, wordt een deel van die massa omgezet in de bindende energie die ze samenhoudt, ook gemeten in MeV. (Denk aan Einstein's E = mc ^ 2? Dat is energie gelijk aan massa-tijden-de-snelheid-van-licht-kwadraat, de vergelijking die die omzetting regeert.)

Als de massa te hoog is in vergelijking met de bindende kracht, zal de energie van de quarks die rond de binnenkant van de hadron ronddraaien het deeltje uit elkaar scheuren. Als het laag genoeg is, zal het deeltje lang genoeg leven om de quarks te laten settelen en groepseigenschappen te ontwikkelen voordat ze vervallen. Een grote, gelukkige quart-viertallige familie moet een massa lager hebben dan twee mesonen (of quark-antiquark-paren) die volgens Karliner aan elkaar zijn geplakt.

Helaas is de massa van een kwarkfamilie na een deel van de bulk omgezet in bindende kracht ongelooflijk moeilijk te berekenen, wat het moeilijk maakt om erachter te komen of een gegeven theoretisch deeltje stabiel is.

Wetenschappers weten al ongeveer tien jaar dat mesonen zich kunnen binden aan andere mesonen om ad-hoc tetraquarks te vormen, en daarom heb je misschien rapporten gezien die het bestaan ​​van tetraquarks eerder wisten. Maar in die tetraquarks werkt elke quark voornamelijk samen met het paar. In een echte tetraquark zouden alle vier zich met elkaar vermengen.

"Het is charmant en interessant, maar niet hetzelfde," zei Karliner. "Het is heel anders om twee koppels in verschillende kamers een appartement te laten delen, en twee mannen en twee vrouwen allemaal samen met iedereen... in interactie met iedereen."

Maar die dubbel-meson-tetraquarks verschaffen de massadrempel die ware tetraquarks moeten oversteken om stabiel te zijn, zei hij.

Een naald in een hooiberg van hooibergen

In theorie zou het volgens Karliner mogelijk zijn om het bestaan ​​van een stabiele tetraquark uit pure berekening te voorspellen. Maar de betrokken kwantummechanica was gewoon te moeilijk om met enig redelijk vertrouwen te werken.

Het belangrijkste inzicht van Karliner en Rosner was dat je kon beginnen om de massa en bindende energie van zeldzame hadronen te achterhalen naar analogie van de meer gebruikelijke hadronen die al waren gemeten.

Weet je nog die dubbel gecharmeerde baryon van vroeger? En zijn explosieve neef met de twee onderste quarks? In 2013 begonnen Karliner en Rosner te vermoeden dat ze de massa konden berekenen, na goed nagedacht te hebben over de bindende energie in mesonen bestaande uit charm-quarks en anticharm-quarks.

De kwantummechanica suggereert dat twee verschillend gekleurde charme-quarks - zeg maar een rode charme en een groene charme - samen moeten binden met precies de helft van de energie van een charm-quark en de antimaterie-tweeling - bijvoorbeeld een rode charm-quark en een antieke charme-antiquark. En wetenschappers hebben al de energie van die band gemeten, dus de energie van acharm-charm-binding zou daar de helft van moeten zijn.

Dus Karliner en Rosner werkten met die cijfers, en ze vonden dat het dubbel gecharmeerde baryon en het dubbele bodembaryon een massa van 3627 MeV hadden, plus of minus 12 MeV. Ze publiceerden hun papieren en duwden de experimentelen bij CERN (Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek) om te gaan jagen, zei Karliner.

De LHCb-detector op CERN.

De LHCb-detector op CERN.

Credit: CERN

Maar Karliner en Rosner boden CERN een routekaart aan en uiteindelijk werden de CERN-wetenschappers toegetreden. In juli 2017 verschenen de eerste duidelijk dubbel gecharmeerde baryons in de Large Hadron Collider (LHC). [Foto's: 's werelds grootste Atom Smasher (LHC)] "De experimentans waren in het begin nogal sceptisch" dat het mogelijk zou zijn om de dubbel gecharmeerde baryons in de echte wereld te vinden, zei Karliner. "Het is net of je een naald zoekt die niet in een hooiberg zit, maar in een hooiberg met hooibergen."

"We voorspelden in 2014 dat de massa van deze dubbel gecharmeerde baryon 3.627 MeV zou worden, 12 MeV zou geven of meenemen", zei Karliner. "De LHC meet 3.621 MeV, geeft of neemt 1 MeV."

Met andere woorden, ze hebben het vastgespijkerd.

En omdat hun berekening correct bleek te zijn, hadden Karliner en Rosner een routekaart naar het echte stabiele tetraquark.

Een grote, dikke, gelukkige familie

In de kwantummechanica, legde Karliner uit, is er een algemene regel dat zwaardere quarks de neiging hebben om veel nauwer aan elkaar te binden dan lichtere quarks. Dus als je een stabiele tetraquark gaat vinden, zal het waarschijnlijk enkele quarks uit het zwaardere uiteinde van het smaakspectrum betrekken.

Karliner en Rosner gingen aan de slag zodra de dubbel gecharmeerde baryonmeting werd aangekondigd. Eerst berekenden ze de massa van een tetraquark bestaande uit twee charm-quarks en twee lichtere antiquarks; charm-quarks zijn per slot van rekening behoorlijk dik, ongeveer 1,5 keer de massa van een proton. Het resultaat? Een dubbel gecharmeerd tetraquark blijkt precies op de rand van stabiel en onstabiel te zijn, met ruimte voor fouten aan beide kanten - met andere woorden, te onzeker om een ​​ontdekking te noemen.

Maar charm-quarks zijn niet de zwaarste quarks die er zijn. Betreed de onderste quark, een echt monster van een elementair deeltje op ongeveer 3,5 keer de massa van zijn gecharmeerde broer of zus, met een bijbehorende sprong in bindingsenergie.

Fuseer twee van die samen, Karliner en Rosner berekenden, samen met een up antiquark en een down antiquark, en je zult eindigen met een stabiel viertal - zo veel van hun bulk omzetten in bindende energie dat ze 215 MeV onder het maximum eindigen massadrempel, met een foutmarge van slechts 12 MeV.

"Het resultaat van dit alles is dat we nu een robuuste voorspelling hebben voor de massa van dit object dat de heilige graal was van deze tak van de theoretische fysica," zei Karliner.

Dit soort tetraquark zal niet lang leven als het eenmaal is gemaakt; het knapt uit na slechts een tiende van een picoseconde, of de tijdsduur die een lichtstraal nodig heeft om een ​​enkele microscopische huidcel over te steken. Het zal dan vervallen tot eenvoudiger combinaties van op en neer gaande quarks. Maar dat 0,1 picoseconden (één tien-biljoenste van een seconde) is lang genoeg op de kwantummechanische schaal om als een stabiel deeltje te worden beschouwd.

"Het is alsof je een mensenleven vergelijkt met [de beweging van continenten]," zei Karliner. "Als je een aantal wezens hebt die op een schaal van enkele seconden leven, lijkt een mensenleven bijna oneindig."

Verder naar Zwitserland

De volgende stap, als een deeltje voorspeld is door theoretici, is dat de experimentalisten bij CERN proberen het te maken in de kilometerslange buizen van hun deeltjesafsteker, de LHC.

Dat kan een slopende procedure zijn, vooral vanwege de specifieke eigenschappen van bodemquarks.

De LHC werkt door protonen tegen elkaar te slaan bij grote delen van de snelheid van het licht, waardoor genoeg energie wordt vrijgegeven in de botsinrichting dat een deel ervan weer in massa verandert. En een klein deel van die massa zal zich condenseren in zeldzame vormen van materie - zoals die dubbel gecharmeerde baryon.

Maar hoe zwaarder een deeltje is, hoe kleiner de kans dat het in de LHC zal opduiken. En bodem-quarks zijn uitzonderlijk onwaarschijnlijke creaties.

Om een ​​tetraquark te bouwen, zei Karliner, moet de LHC twee onderste quarks genereren die dicht genoeg bij elkaar in de buurt zijn en die ze binden, en ze vervolgens "decoreren" met twee lichte antiquarks. En dan moet het opnieuw en opnieuw worden gedaan - totdat het genoeg is gebeurd dat de onderzoekers zeker zijn van hun resultaten.

Maar dat is niet zo onwaarschijnlijk als het klinkt.

"Het blijkt dat als je bedenkt hoe je dergelijke dingen in een lab zou maken," zei Karliner, "de kans om ze te maken slechts iets minder waarschijnlijk is dan het vinden van die baryon met twee onderste quarks en een lichte quark."

En die jacht is al onderweg.

Zodra de twee-onderste-quark baryon is ontdekt, zei Karliner - een resultaat dat hij verwacht in de komende paar jaar - "de klok begint te tikken" op het uiterlijk van de tetraquark.

Ergens in de ether is een hadron waar natuurkundigen al 53 jaar op jagen. Maar nu hebben ze zijn geur opgevangen.

Opmerking van de uitgever: Dit artikel is bijgewerkt om de massa van de eerdere dubbel gecharmeerde baryon-voorspelling van de onderzoeker te corrigeren. Het was 3.627 MeV, niet 4.627 MeV.

Oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.


Video Supplement: .




Onderzoek


Wat Zijn Stamcellen?
Wat Zijn Stamcellen?

Antarctica-Experiment Ontdekt Puzzelspel Ray-Patroon
Antarctica-Experiment Ontdekt Puzzelspel Ray-Patroon

Science Nieuws


Oude Kwekerij Van Gigantische, Uitgestorven Haaien Gevonden
Oude Kwekerij Van Gigantische, Uitgestorven Haaien Gevonden

Wat Als Ik Mijn Vinger In Een Stopcontact Stop?
Wat Als Ik Mijn Vinger In Een Stopcontact Stop?

Wetenschappers Nemen Geluiden Van Enorme Ondergrondse Aardverschuiving Op
Wetenschappers Nemen Geluiden Van Enorme Ondergrondse Aardverschuiving Op

Griezelige Foto'S: Griezelige, Griezelige Wezens Die (Meestal) Ongevaarlijk Zijn
Griezelige Foto'S: Griezelige, Griezelige Wezens Die (Meestal) Ongevaarlijk Zijn

Hogeschool En Huwelijk Mogen Niet Voor Achtergestelden Worden Gemengd
Hogeschool En Huwelijk Mogen Niet Voor Achtergestelden Worden Gemengd


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com