Физики из Колледжа искусств и наук Сиракузского университета вошли в историю науки, подтвердив существование редкой четырехкварковой частицы и обнаружив доказательства существования трех других «экзотических» братьев и сестер.
Их выводы основаны на данных Большого адронного коллайдера (БАК), самого большого и мощного ускорителя частиц в мире, расположенного в научной лаборатории CERN в Женеве, Швейцария.
Профессор Томаш Скварницкий и доктор философии. Студент Томас Бриттон G'16, оба члена Экспериментальной группы физики высоких энергий в Сиракузах и коллаборации Большого адронного коллайдера (LHCb) в ЦЕРН, подтвердили существование кандидата в тетракварки, известного как X (4140). Они также обнаружили три другие экзотические частицы с более высокими массами, названные X(4274), X(4500) и X(4700)..
Все четыре частицы были предметом докторской диссертации Бриттона. диссертацию, которую он защитил в мае, а затем представил от имени коллаборации LHCb в качестве журнальной статьи для Physical Review Letters (American Physical Society, 2016).
Тетракварк - это частица, состоящая из четырех кварков: двух кварков и двух антикварков.
Тетракварки и, в более широком смысле, пентакварки, содержащие пять кварков, считаются экзотическими, потому что они содержат больше двух или трех кварков, чем обычно.
«Несмотря на то, что все четыре частицы имеют одинаковый кварковый состав, каждая из них имеет уникальную внутреннюю структуру, массу и набор квантовых чисел», - говорит Скварницкий, который в апреле 2014 года подтвердил существование первой в мире кандидат в заряженные тетракварки, названный Z(4430)+. Годом ранее он и доктор философии. студент Бин Гуй Г'14 определил квантовые числа первого кандидата в нейтральный тяжелый тетракварк, X(3872).
Квантовые числа описывают субатомные свойства каждой частицы.
Скварницки говорит, что измерение всех четырех частиц является крупнейшим на сегодняшний день. В отличие от других кандидатов в экзотические частицы, его и Бриттона не содержат обычной ядерной материи (то есть кварков, обнаруженных в протонах и нейтронах).
«Мы никогда раньше не видели подобных вещей. Это помогает нам различать различные теоретические модели частиц», - говорит Скварницки.
Член Американского физического общества, Скварницки является давним членом коллаборации LHCb, в которой участвуют около 800 других ученых из 16 стран. Их цель - открыть все формы материи в надежде объяснить, почему Вселенная состоит из нее, а не из антиматерии.
Работы Скварницки посвящены кваркам - фундаментальным составляющим материи, которые служат своего рода лесами для протонов и нейтронов. В то время как большинство частиц имеют два или три кварка, Скварницки и другие в последнее десятилетие наблюдали частицы с четырьмя или пятью кварками.
Прошлым летом он и докторант Натан Юрик G'16 объединились с заслуженным профессором Шелдоном Стоуном и Лимин Чжан, профессором Университета Цинхуа в Пекине, чтобы объявить об открытии двух редких пентакварковых состояний. Эта новость попала в заголовки, привлекая внимание всего мира к Сиракузам и ЦЕРН.
Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, существует шесть видов кварков, чьи внутренние свойства заставляют их группироваться в пары с необычными названиями: верхний/нижний, очарованный/странный и верхний/нижний.
Частицы, которые изучают Скварницки и Бриттон, имеют два очарованных кварка и два странных кварка. Очаровательные и странные кварки являются третьим и четвертым по массе среди всех кварков.
То, что все четыре кварка в новом семействе являются «тяжелыми», заслуживает внимания.
«Чем тяжелее кварк, тем меньшие частицы он создает», - говорит Скварницки, добавляя, что названия частиц отражают их массы.«Названия обозначаются мегаэлектронвольтами [МэВ], что указывает на количество энергии, которую получает электрон после ускорения электрическим вольтом… Эта информация, наряду с квантовыми числами каждой частицы, расширяет наше понимание формирования частицы и фундаментальные структуры материи."
Доказательство X(4140) впервые появилось в 2009 году в Национальной ускорительной лаборатории Ферми за пределами Чикаго, но наблюдение не было подтверждено до трех лет спустя в ЦЕРНе.
Визуализация огромного детектора LHCb, который регистрирует примерно 10 миллионов столкновений протонов в секунду. Ученые изучают обломки этих столкновений, чтобы лучше понять строительные блоки материи и силы, контролирующие их. Чрезвычайно редкий и в четыре раза тяжелее протона, X (4140) был первоначально обнаружен только в 20 случаях из миллиардов антропогенных энергетических столкновений. LHCb уникально подходит для изучения таких частиц и, таким образом, обнаружил X(4140) почти 560 раз.
Skwarnicki приписывает открытие трех братьев и сестер X(4140), отобранных из данных LHCb с 2011 по 2012 год, повышенной инструментальной чувствительности. Именно энергетическая конфигурация кварков, объясняет он, придает каждой частице ее уникальную массу и индивидуальность.
«Кварки могут быть тесно связаны, как три кварка, упакованные внутри одного протона, или слабо связаны, как два атома, образующие молекулу», - говорит Скварницки. «Исследуя квантовые числа частиц, мы смогли сузить возможности и исключить молекулярную гипотезу».
Снимок данных детектора LHCb, выделяющий столкновения, в результате которых образовались четыре тетракварка. Не то, чтобы процесс был легким. «Апоретическая сага» - так Бриттон описывает изучение молекулярных структур, которые, кажется, «выпрыгивают из данных».
«Мы изучили все известные частицы и процессы, чтобы убедиться, что эти четыре структуры не могут быть объяснены какой-либо ранее существовавшей физикой», - говорит он. «Это было похоже на выпечку шестимерного торта из 98 ингредиентов и без рецепта - только изображение торта».
Тем временем Скварницки, Бриттон и другие сталкиваются с обременительной задачей прочесывания данных и разработки теоретических моделей в попытке подтвердить то, что они видели.
«Это может быть квартет совершенно новых частиц или сложное взаимодействие известных частиц, просто меняющих свою идентичность», - заключает Скварницки. «В любом случае результат сформирует наше понимание субатомной вселенной».