luckyea77 (luckyea77) wrote,
luckyea77
luckyea77

Category:

Не только бозон Хиггса: что еще нашли в Большом адронном коллайдере



В этом году адронным коллайдерам исполнилось 50 лет. 27 января 1971 года два пучка протонов впервые столкнулись в ускорителе CERN Intersecting Storage Rings. За последние 10 лет на Большом адронном коллайдере открыты 50 новых частиц, а не только известный бозон Хиггса. Рассказываем, что это за частицы.

Сколько новых частиц открыты на Большом адронном коллайдере?

Самым известным открытием, конечно же, является бозон Хиггса. Менее известен тот факт, что за последние 10 лет эксперименты на БАК (Большом адронном коллайдере) также обнаружили более 50 новых частиц, называемых адронами. По совпадению, число 50 появляется в контексте адронов дважды, поскольку в 2021 году исполняется 50 лет адронным коллайдерам: 27 января 1971 года два пучка протонов впервые столкнулись в ускорителе CERN Intersecting Storage Rings, что сделало его первым ускорителем в мире. История возникновения столкновений между двумя противоположно вращающимися пучками адронов.

Что такое адроны?

Так что же это за новые адроны, которых всего 59? Давайте начнем с самого начала: адроны не являются элементарными частицами — физики знают это с 1964 года, когда Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили то, что сегодня известно как модель кварков. Она представила адроны как составные частицы, состоящие из новых типов элементарных частиц — кварков.

Кварки рождаются свободными, но встречаются только связанными…

Фрэнк Вилчек,
лауреат Нобелевской премии по физике за за открытие асимптотическое свободы в теории сильных взаимодействий, 2004 г.


Сам термин «адрон» происходит от греческого «хадрос» («сильный») и отражает свойство адронов участвовать в сильных взаимодействиях. Это короткодействующие фундаментальные взаимодействия, связывающие кварки внутри нуклонов и других адронов. Сила этого взаимодействия намного превосходит силу трех других фундаментальных взаимодействий — электромагнитного, слабого и гравитационного.


Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны.

Адроны — связанные системы кварков и антикварков. Они существуют двух типов — барионы и мезоны.

-Барионы (барионный заряд В = +1) — частицы, состоящие из трех кварков (qqq), и являющиеся фермионами (J = 1/2, 3/2, …). К числу барионов относятся, например, протон и нейтрон.
-Антибарионы (В = -1) состоят из трех антикварков (). Антипротон и антинейтрон входят с группу антибарионов.
-Мезоны (В = 0), состоящие из кварка и антикварка (q), занимают промежуточное положение. Мезоны имеют целочисленное значение спина и являются бозонами (J = 0, 1, 2, …).

В свою очередь, кварки — фундаментальные частицы в Стандартной модели. Они обладают электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдаются в свободном состоянии.


Профессор Мюррей Гелл-Манн в пещере ATLAS в 2012 году. Гелл-Манн предложил модель кварка и название «кварк» в 1964 году и получил Нобелевскую премию по физике в 1969 году. (Изображение: CERN)

Как появляются новые адроны?

Но точно так же, как исследователи все еще открывают новые изотопы спустя 150 лет после того, как Менделеев создал периодическую таблицу, исследования возможных составных состояний, образованных кварками, все еще являются активной областью физики элементарных частиц.

Причина этого кроется в квантовой хромодинамике, или КХД, теории, описывающей сильное взаимодействие, которое удерживает кварки вместе внутри адронов. У этого взаимодействия есть несколько любопытных особенностей, включая тот факт, что сила взаимодействия не уменьшается с расстоянием. Это приводит к свойству, которое запрещает существование свободных кварков вне адронов — ограничение цвета. Такие особенности делают эту теорию очень сложной с математической точки зрения.



Фактически до настоящего времени само ограничение цвета не было доказано аналитически. И у ученых до сих пор нет способа точно предсказать, какие комбинации кварков могут образовывать адроны.

Что мы знаем об адронах?

Еще в 1960-х годах было уже более 100 известных разновидностей адронов. Их обнаружили в экспериментах на ускорителях и в экспериментах с космическими лучами. Модель кварков позволила физикам описать весь «зоопарк» как разные составные состояния всего трех разных кварков: верхнего, нижнего и странного. Все известные адроны могут быть описаны либо как состоящие из трех кварков (образующих барионы), либо как кварк-антикварковые пары (образующие мезоны). Но теория также предсказывала другие возможные устройства кварков.

Уже в оригинальной статье Гелл-Манна о кварках 1964 года идея частиц, содержащих более трех кварков, считалась возможной. Сегодня ученые знают, что такие частицы действительно существуют. И все же потребовалось несколько десятилетий, чтобы экспериментально подтвердить первые четырехкварковые и пятикварковые адроны, или тетракварки и пентакварки.

Полный список из 59 новых адронов, обнаруженных на БАК, показан на изображении ниже.


Полный список новых адронов, обнаруженных на LHC, с разбивкой по году открытия (горизонтальная ось) и массе частиц (вертикальная ось). Цвета и формы обозначают кварковое содержание этих состояний. Предоставлено: LHCb / CERN.

Некоторые из этих частиц являются пентакварками, некоторые — тетракварками, а некоторые — новыми (возбужденными) состояниями барионов и мезонов с более высокой энергией.

-Пентакварки — группа составных субатомных частиц, состоящих из пяти кварков. Их существование было доказано с использованием Большого адронного коллайдера в июле 2015 года. Являются барионами, адронами, фермионами, резонансами. Порождают направление исследований в адронной спектроскопии — физику пентакварков.
-Тетракварк — элементарная частица, адрон, состоящий из двух кварков и двух антикварков. Спин тетракварка может быть только целым, поэтому тетракварковую структуру могут иметь только мезоны.
-Барионы — семейство элементарных частиц: сильно взаимодействующие фермионы, состоящие из трёх кварков. В 2015 году было также доказано существование аналогичных частиц из 5 кварков, названных пентакварками. К основным барионам относятся (по мере возрастания массы): протон, нейтрон, лямбда-барион, сигма-гиперон, кси-гиперон, омега-гиперон. Масса омега-гиперона (3 278 масс электрона) почти в 1,8 раз больше массы протона.
-Мезон — адрон, имеющий нулевое значение барионного числа. В Стандартной модели мезоны — составные элементарные частицы, состоящие из равного числа кварков и антикварков. К мезонам относятся пионы (π-мезоны), каоны (K-мезоны) и другие, более тяжёлые, мезоны. Первоначально мезоны были предсказаны как частицы, являющиеся переносчиками сильного взаимодействия и отвечающие за удержание протонов и нейтронов в атомных ядрах. Все мезоны нестабильны. Благодаря наличию энергии связи масса мезона во много раз больше суммы масс составляющих его кварков. Барионы вместе с мезонами (последние состоят из чtтного числа кварков) составляют группу элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии и называемых адронами.



Открытие этих новых частиц вместе с измерениями их свойств по-прежнему дает важную информацию для проверки границ кварковой модели. В свою очередь, это позволяет исследователям углубить понимание сильного взаимодействия, проверить теоретические предсказания и настроить модели. Стоит отметить, что это особенно важно для исследований, проводимых на БАК. Дело в том, что сильное взаимодействие отвечает за большинство того, что происходит при столкновении адронов. Чем лучше ученые поймут сильное взаимодействие, тем точнее будет моделирование этих столкновений. В итоге шансы увидеть небольшие отклонения от ожиданий, которые могут намекать на возможные новые физические явления, вырастут.

Первый адрон, открытый на БАК (LHC), χb (3P), был открыт ATLAS, а самые последние включают новый возбужденный красивый странный барион, наблюдаемый CMS, и четыре тетракварка, обнаруженные LHCb.

Tags: физика
Subscribe

Posts from This Journal “физика” Tag

promo luckyea77 december 30, 15:00 8
Buy for 10 tokens
По этой ссылке можно скачать информационную базу для программы "1С:Предприятие". С помощью данной базы можно готовиться и сдавать экзамены по темам: - Электробезопасность - Основы промышленной безопасности А.1 - Специальные требования промышленной безопасности: Б 9.31. Эксплуатация опасных…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 4 comments