'Kutsal Kase' Hadron: Bilim Adamları Elusive Tetraquark Parçacıklarını Tespit Etmeye Yakın

{h1}

Samanlık samanlığında iğne bulmak gibi

Flit, zip, jitter, bom. Kudaylar, evrendeki her şeyi somutlaştıran küçük parçacıklar, bilim adamlarının bu parçacıkların varlığından şüphelenmeye başladıktan 53 yıl sonra bile fizikçiler için derinden gizemli kalıyorlar. Bilimsel enstrümanların duyarlılıklarının kenarında dolaşırlar, daha büyük parçacıkların içine sirayet ederler ve daha yüksek biçimlerinden en basit olana kadar bir tuz demetini geçmek için bir ışık demeti alırlar. Küçük buhranlar sırlarını kolayca pes etmezler.

İşte bu yüzden fizikçiler, kuark biliminin başlangıcından beri avladıkları egzotik bir parçacığın varlığını doğrulamak için beş yıldan fazla sürdü: Masif (en azından atom altı parçacık terimleri), zor tetraquark.

Tel Aviv Üniversitesi'nden fizikçiler ve Şikago Üniversitesi'nden Jonathan Rosner, garip, büyük tetraquarkın en saf, en gerçek haliyle var olabileceğini doğruladı: dört parçacık, hepsi birbiriyle tek bir büyük parçacık içinde, hiçbir engel olmadan etkileşiyor onları ayrı tutmak. Kararlıydı, buldular ve İsviçre'deki CERN parçacık fiziği laboratuvarında bir parçacık parçalayıcı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda üretilebiliyorlardı, Fiziksel İnceleme Mektupları dergisinin gelecek bir sayısında yayınlanacak bir makalede raporlarlar. [Higgs'in Ötesinde: Evrende Keşfedilebilecek 5 Elüsyon Parçacıkları]

Bekle - kuark bir kuark nedir?

Parçacık fiziği hakkında biraz bilgi sahibi olursanız, muhtemelen kütleli her şeyin atomlardan oluştuğunu biliyorsunuzdur. Parçacık fiziğine biraz daha derine dalmak, bu atomların atom altı parçacıklardan oluştuğunu ortaya çıkardı - protonlar, nötronlar ve elektronlar. Daha derin bir görünüm, kuarkları ortaya çıkarırdı.

Nötronlar ve protonlar, hadronlar olarak bilinen bir parçacık sınıfının en yaygın örnekleridir. Bir hadronun içine girebilseydiniz, daha sıkı bir şekilde birbirine yapışan daha temel parçacıklardan oluştuğunu görürsünüz. Bunlar kuarklar.

Bir diyagram, kuarkların genellikle küçük parçacıklar hakkındaki anlayışımıza nasıl uyduğunu gösterir.

Bir diyagram, kuarkların genellikle küçük parçacıklar hakkındaki anlayışımıza nasıl uyduğunu gösterir.

Kredi: udaix / Shutterstock

Çekirdeklerinde proton ve nötronların kombinasyonlarına bağlı olarak farklı özellikler benimseyen atomlar gibi, hadronlar da özelliklerini kendi yerleşik kuarklarının kombinasyonlarından alırlar. Bir proton mu? Bu iki "yukarı" kuark ve bir "aşağı" kuark. Nötronlar? Bunlar iki "aşağı" kuark ve bir "yukarı" kuarkından oluşur. [Tuhaf Fizik: Doğada Havalı Küçük Parçacıklar]

(Elektronlar kuarklardan ibaret değildir, çünkü onlar hadron değiller - onlar leptonlar, kumandanların uzak kuzenlerinin bir parçası.)

"Yukarı" ve "aşağı", kuarkın en yaygın lezzetleridir, ancak bunlar altıdan sadece ikisidir. Diğer dört - "çekicilik", "üst", "tuhaf" ve "alt" kuarklar - Büyük Patlamadan sonraki anlarda var oldular ve parçacık çarpışanlarındaki yüksek hızlı çarpışmalar gibi aşırı durumlarda ortaya çıktılar. Fakat onlar kuantumlardan daha ağırdırlar ve yaratılışlarının anlarında daha hafif kardeşlerine dönme eğilimi gösterirler.

Ancak, daha ağır kuarklar, kuarkların içlerinde dolaşan çok kısa yaşam süreleri için stabil olan sıradışı özelliklere sahip garip hadronlara bağlanabilecek kadar uzun sürebilirler. Bazı iyi örnekler: "iki katlı charyon" ya da iki çekicilik kuarkı ve daha hafif bir kuarktan oluşan bir hadron; ve kuzeni, iki büyük alt kuarktan oluşan bir hadron ve bir tane daha hafif kuark, hidrojen bombalarının içindeki bireysel füzyon reaksiyonlarından daha güçlü bir flaşla birleştiğinde oluşmuştur. (Unutmayın ki, dip kuark füzyonu ağır kuarkların kısa ömürleri sayesinde askeri olarak yararsızdır.)

Renklerle oynamak

Karliner, WordsSideKick.com'a yaptığı açıklamada, "Şüphesiz, yıllardır [tetraquark] imkansızdı."

Çünkü fiziksel yasalar dört kuarkın birlikte kararlı bir hadronla birleşemediğini öne sürdü. İşte nedeni: Pozitif yüklü protonlar ve negatif yüklü elektronlar arasındaki çekimin onları bir arada tutan atom olduğu gibi, hadronlar da güçler tarafından bir arada tutulur. Atomlarda, pozitif ve negatif parçacıklar sürekli olarak yüklerini sıfıra indirgemeyi dener, böylece protonlar ve elektronlar birbirine yapışır, birbirlerini iptal ederler. [Quarks Hakkında 7 Garip Gerçekler]

Kuarkların pozitif ve negatif elektrodinamik yükleri vardır, ama aynı zamanda daha güçlü "güçlü" güç ile birbirleriyle etkileşirler. Ve kuvvetli kuvvetler ayrıca renk ücretleri olarak adlandırılan suçlamalara da sahiptir: kırmızı, yeşil ve mavi.

Herhangi bir kuarkın herhangi bir renk ücreti olabilir. Ve birlikte şekillendirmek için bir araya geldiklerinde, tüm bu suçlamalar iptal edilmeli. Yani kırmızı bir kuark, örneğin, yeşil bir kuark ve mavi bir kuark veya antimadde ikiz ile bir "antiquark" renk bir "şarj" ile şarj etmek zorunda. (Bu sizin kuantum mekaniğindeki beyninizdir.) Birlikte yapışan bir rengin ve anticolor veya üç renkten oluşan kombinasyonlarının her biri nötr renk yüküne sahiptir. Fizikçiler bu parçacıkları "beyaz" olarak adlandırırlar.

Tetraquark: Bir ilişki gibi (her zaman işe yaramıyor)

Öyleyse, Karliner, dört sıralı bir hadron hayal etmek zor değil dedi: Sadece iki kronu iki eşleşen antikarkana yapıştırın. Ama sadece dört eşleşen kuarkı birbirine yapıştıracağından, gerçek bir hadron oluşturacak kadar istikrarlı olacağı anlamına gelmeyeceğini söylemişti.

“Sadece iki erkek ve iki kadını bir apartman dairesine götürdüğünüz için,” dedi Karliner, “Onlar yerleşecek ve nükleer bir aile oluşturacakları anlamına gelmez” dedi.

Kuarkların, fizikçilerin enerji birimleriyle ölçülen kütlesi vardır: megaelektron voltları veya MeV. Bir araya geldiklerinde, bu kütlenin bir kısmı onları bir arada tutan ve aynı zamanda MeV'de ölçülen bağlanma enerjisine dönüşür. (Einstein'ın E = mc ^ 2'sini hatırlayın? Bu enerji, kütle-zaman-hız-kare-kare, bu dönüşümü yöneten denkleme eşittir.)

Kütle bağlanma kuvveti ile karşılaştırıldığında çok yüksekse, hadronun etrafına bakan kuarkların enerjisi parçacığı parçalayacaktır. Yeterince düşükse, parçacıklar, kuarkların çökmeden önce grup özelliklerini geliştirmek ve geliştirmek için yeterince uzun yaşayacaklardır. Karliner'e göre büyük, mutlu, dörtlü bir ailenin, birbirine yapışmış iki mezondan (veya kuark-antikarkan çiftlerinden) daha az kütleye sahip olması gerekir.

Ne yazık ki, bir kuark ailesinin kütlesinin bir kısmının bağlanma kuvveti haline dönüştürüldükten sonra hesaplanması son derece zordur, bu da verilen bir teorik partikülün kararlı olup olmadığını anlamakta güçtür.

Bilim adamları on yıldan uzun bir süredir, mezonların geçici bir tetrakord oluşturmak için diğer mezonlara bağlanabileceğini biliyorlardı, bu yüzden daha önce tetraquarkların varlığını ortaya koyan raporlar görmüş olabilirsiniz. Ancak bu tetraquarklarda, her bir quark öncelikle çiftiyle etkileşir. Gerçek bir tetraquarkta, dördü de birbirleriyle eşit olarak karışırdı.

Karliner, "Büyüleyici ve ilginç ama aynı değil," dedi. "Farklı apartmanlarda iki çiftin bir apartmanı paylaşması çok farklı ve herkesle birlikte iki erkek ve iki kadın var… herkesle etkileşim."

Ancak, bu çift-mezon tetrakarklar, gerçek tetrakarkların stabil olmak için kesişmesi gereken kütle eşiğini sağlar.

Haystacks samanlıkta iğne

Teoride, Karliner, saf bir hesaplamadan kararlı bir tetraquarkın varlığını tahmin etmek mümkün olabileceğini söyledi. Ancak, kuantum mekaniği, herhangi bir makul derecede güven ile çalışmak için çok zordu.

Karliner ve Rosner'ın içgörüsü, ender hadronların kütlesini ve bağlayıcı enerjisini, daha önce ölçülen daha yaygın hadronlara benzeterek anlamaya başlayabilmenizdir.

İki kere baryonun daha önce aldığını hatırlıyor musun? Ve iki alt kuark ile patlayıcı kuzeni? 2013 yılında, Karliner ve Rosner, cazibe kuarkları ve anticharm kuarklarından oluşan mezonlar içindeki bağlayıcı enerjiyi dikkatlice düşünerek kitlesini hesaplayabileceklerinden şüphelenmeye başladılar.

Kuantum mekaniği, iki farklı renkli cazibe kuarkının - kırmızı bir çekicilik ve yeşil çekiciliğin - bir çekicilik kuarkının ve antimadde ikizinin enerjisinin tam yarısı ile birleşmesi gerektiğini söyler - kırmızı çekicilik ve antiparktan oluşan bir cazibe. Ve bilim adamları zaten bu bağın enerjisini ölçmüşlerdir, bu yüzden aku-cazibesi bağının enerjisi bunun yarısı olmalıdır.

Böylece Karliner ve Rosner bu sayılarla çalıştılar ve çift katlı baryonun ve çift dipli baryonun 3627 MeV, artı veya eksi 12 MeV'lik bir kütleye sahip olduğunu buldular. Karliner, gazetelerini yayınladı ve avcıları CERN (Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü) 'nde avlamaya başlamak için bastırdı.

CERN'deki LHCb detektörü.

CERN'deki LHCb detektörü.

Kredi: CERN

Ancak Karliner ve Rosner CERN'e bir yol haritası sundu ve sonuçta CERN bilim adamları katıldı. 2017 yılı Temmuz ayında, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) 'de ilk kesin olarak ikiye katlanmış arnavutlar ortaya çıktı. [Fotoğraflar: Dünyanın En Büyük Atom Smasher'i (LHC)] “Deneyseller ilk başta oldukça şüpheciydi” diyen Karliner, gerçek kartalı baryonları gerçek dünyada bulmanın mümkün olacağını söyledi. “Samanlıkta değil, haystack samanlıkta iğne aramak gibi.”

Karliner, "2014 yılında bu iki katlı charyonun kütlesinin 3,627 MeV olduğunu, 12 MeV vereceğini veya aldığını tahmin ettik." Dedi. "LHC 3,621 MeV ölçtü, 1 MeV ver ya da al."

Başka bir deyişle, onu çiviledi.

Hesaplamaları doğru olduğu için, Karliner ve Rosner gerçek durağan tetraquarkın yol haritasını çıkardılar.

Bir büyük, şişman, mutlu bir aile

Kuantum mekaniğinde, Karliner'in açıkladığı gibi, daha ağır kuarkların daha açık kuarkların yaptıklarından çok daha sıkı bağlanma eğiliminde oldukları genel bir kural var. Bu yüzden, sabit bir tetraquark bulursanız, muhtemelen, lezzet spektrumunun ağır ucundan bazı kuarkları içerecektir.

Karliner ve Rosner iki kez charmed baryon ölçümü duyurulduğu anda çalışmaya başladı. İlk olarak, iki çekicilik kuarkı ve iki daha hafif antikatan oluşan bir tetraquarkın kütlesini hesapladılar; Her şeyden önce, cazibe kuarkları bir protonun kütlesinin 1.5 katı kadar oldukça tıknaz. Sonuç? İki taraflı bir tetraquark, her iki tarafta da hataya yer veren, istikrarlı ve kararsız olanın kenarında, başka bir deyişle, bir keşif aramak için çok belirsiz olduğu ortaya çıkıyor.

Ama çekicilik kuarkları etraftaki en yoğun kuarklar değil. Temel kuarkı, kardeşi kardeşinin kütlesinin yaklaşık 3,5 katı kadar temel parçacıkların gerçek bir canavarı, bağlanma enerjisine eşlik eden bir sıçrama ile girin.

Bunlardan ikisini bir araya getirin, Karliner ve Rosner bir antipark ve bir antipark ile birlikte hesaplandı, ve sabit bir dörtlü ile sonuçlanacaksınız - yığınlarının çoğunu 215 MeV'ye kadar çıkacak şekilde bağlanma enerjisine dönüştürüyorlar. Kitle eşiği, sadece 12 MeV hata payı ile.

Karliner, "Bütün bunların sonucunda, şu anda bu teorik fizik dalının kutsal kazığı olan bu nesnenin kütlesi için sağlam bir tahmin yapmamız gerekiyor." Dedi.

Bu tür tetraquark oluşturulduktan sonra çok uzun süre yaşamayacak; bir pikosaniyenin onda biri ya da tek bir mikroskobik cilt hücresini geçmek için bir ışık ışını çekmesi uzunluğundan sonra dışarı çıkar. Daha sonra yukarı ve aşağı kuarkların daha basit kombinasyonlarına dönüşecektir. Fakat bu 0.1 pikosaniye (saniyenin on trilyonda biri), kuantum mekaniksel ölçekte stabil bir parçacık olarak kabul edilebilecek kadar uzun bir süre yeterlidir.

Karliner, “İnsan yaşamını [kıtaların hareketi] ile karşılaştırırsanız,” dedi. "Saniyenin kesirleri üzerinde yaşayan bazı canlılarınız varsa, insan yaşamı neredeyse sonsuz gibi gözükecektir."

İsviçre'ye doğru

Bir sonraki aşama, teorisyenler tarafından bir parça kestirildikten sonra, CERN'deki deneyciler için parçacık parçalayıcı LHC'nin kilometrelerce uzun tüplerinde yaratmaya çalışacaklardır.

Bu, özellikle dip kuarkların spesifik özellikleri nedeniyle yorucu bir süreç olabilir.

LHC, protonları ışık hızının büyük fraksiyonlarında bir araya getirerek, çarpışana bir miktar kütleye dönüştüğü enerjiyi serbest bırakarak çalışır. Ve bu kütlenin küçük bir kısmı, iki katına çıkarılan baryon gibi nadir maddelere dönüşecek.

Ama daha ağır bir parçacık, LHC'de ortaya çıkma ihtimalleri o kadar düşük. Ve alt kuarklar, istisnai olarak beklenmeyen kreasyonlardır.

Bir tetraquark inşa etmek için, Karliner, LHC'nin birbirine bağlandıkları birbirine yakın yakınlıkta iki alt kuark oluşturması gerektiğini ve daha sonra onları iki hafif antika ile "süsleyeceğini" söyledi. Ve sonra tekrar ve tekrar yapmak zorundadır - araştırmacılar sonuçlarından emin olabilmek için yeterli zamana kadar.

Fakat bu sesler duyulacak kadar az değil.

“Bir laboratuvarda böyle şeyleri nasıl yapacağınızı düşünürseniz,” diyor Karliner, “bunları yapma olasılığının, iki alt kuark ve bir ışık kuarkı olan bu baryonu bulmaktan sadece biraz daha az olasıdır” dedi.

Ve bu av zaten devam ediyor.

İki dipli kuark baryon keşfedildiğinde, Karliner - önümüzdeki birkaç yıl içinde beklediği bir sonuç - "saatin başladığını" belirten bir tetraquark.

Etherde bir yerlerde, fizikçilerin 53 yıldır avladıkları bir hadron. Ama şimdi kokusunu yakaladılar.

Editörün Notu: Bu makale, araştırmacıların daha önceki çift taraflı charyon tahminlerinin bir kütlesini düzeltmek için güncellendi. Bu 3,627 MeV, 4,627 MeV değil.

Aslen Canlı Bilim'de yayınlandı.


Video Takviyesi: .




TR.WordsSideKick.com
Her Hakkı Saklıdır!
Herhangi Bir Malzemenin Çoğaltılabilir Sadece Siteye Aktif Linki Prostanovkoy TR.WordsSideKick.com

© 2005–2019 TR.WordsSideKick.com