LHCb opdagede fem nye partikler fra Ωc-baryon familien • Igor Ivanov • Science News på "Elements" • Fysik, LHCb Detektor, Hadron Properties, LHC

LHCb opdagede fem nye partikler fra Ω c familien af ​​baryoner

Fig. 1. En typisk begivenhed med fødslen af ​​et stort antal hadroner, registreret af LHCb detektoren. Partikler født i en asymmetrisk kollision passerer gennem successive lag af detektoren, som identificerer typen af ​​partikler og måler deres energier. spor anden farve her angiver forskellige partikler. Billede fra home.cern

LHCb-samarbejdet på Large Hadron Collider annoncerede opdagelsen af ​​fem nye tunge baryoner fra Ω familien på én gang.c. Disse er de ophidsede stater i quark triple [SSC] med forskellige masser i intervallet 3000-3120 MeV. Med endnu store masser, omkring 3200 MeV, blev der opdaget en bred struktur, hvis nøjagtige identifikation endnu ikke er klar. Denne opdagelse viser tydeligt, hvor meget mere følsomt LHCb-eksperimentet er sammenlignet med alle tidligere detektorer i problemet med at studere tung baryonspektroskopi.

Klassificeringen af ​​kendte elementære partikler er noget beslægtet med botanik. Der er allerede hundredvis af individuelle hadroner, der er pålideligt kendt og beskrevet – partikler involveret i det stærke samspil, og der er stadig nogle få hundrede, der stadig er i spørgsmålet. Disse hadroner har meget forskellige masser og bredder og viser et stort udvalg af henfaldsmuligheder.Hvert andet år, et specielt hold af forfattere Particle Data Group offentliggør et opdateret resumé af alle deres kendte egenskaber, der tager op ad tusind sider med lille tekst. Det er imidlertid ikke nødvendigt at vende gennem denne talmud: Alle disse oplysninger præsenteres i en bekvem form på holdets interaktive side.

Heldigvis er hasron-klassifikationen baseret på en klar og simpel quarkmodel (se detaljer på Hadron-klassifikationssiden). Alle kendte baryoner består af tre kvarker, holdt sammen af ​​stærk interaktion. Kombination af fem typer kvarker – lys u og dmærkelig kvark s eller tungere c (fortryllet) og b (dejlig) – du kan få et stort antal hadroner med forskellige egenskaber.

I fig. 2 viser klassificeringen og den almindeligt anerkendte nomenklatur for betegnelsen af ​​baryoner, som omfatter de første fire typer kvarker. Organiseringen af ​​partikler her er meget naturlig: når du flytter fra venstre mod højre d-quark erstattet med u, når du kører på os – vises s-quark, og flyene adskiller sig ved at tilføje ckvark. Ω familiec med quark komposition [SSC], som vil blive diskuteret i denne nyhed, er i midten af ​​diagrammet.

Fig. 2. Traditionel nomenklatur til betegnelse af baryoner, som kun omfatter kvarker u, d, s eller c. Billede fra pdg.lbl.gov

Klassifikationen bliver endnu rigere, hvis vi mener, at kvarker kan bevæge sig i forhold til hinanden på forskellige måder. Som i næsten alle sammensatte kvantesystemer er der en jordtilstand i baryoner, og over den er der en hel stige af ophidsede stater. I mange henseender ligner de spændte niveauer af elektroner i atomer – men med forskellen om, at de simpelthen kaldes excitationer af det samme atom, og i hadron-spektroskopi betragtes ophidsede stater som uafhængige nye partikler. De adskiller sig i exciteringsenergierne (og dermed den samlede masse), den samlede spinding, kvarkens indre bevægelse og som følge heraf forskellige henfaldspreferencer. Grundstaten for hvert quark sæt falder ret langsomt på grund af svag interaktion (derfor har baryonen tid til at flyve en mærkbar afstand til henfaldet), og de ophidsede stater – ultrafast på grund af stærk interaktion.

Alle baryoner vist i fig. 2, er de grundlæggende tilstande for det tilsvarende quark sæt.Over hver af dem er der en stige af ophidsede stater – nye elementære partikler, der betegnes med samme bogstav, men massens værdi tilskrives dem inden for parentes. Lad os sige jordtilstanden Ωc har en masse på 2695 MeV, og den første ophidsede tilstand, som kun adskiller sig i det samlede spin, er angivet ved Ωc(2770). Det kan ses, at energien "koster" kupet er et af kvarkens spin – næsten 100 MeV.

Indtil for nylig begrænsede kun disse to stater vores oplysninger om [SSC] -system. I mellemtiden ligger andre baryoner i samme plan i fig. 2, blev eksperimentelt udarbejdet meget bedre. Og teoretikere, der studerer spektroskopi og hadronegenskaber, er meget interesserede i sådanne stiger til systemer, hvor en kvark er tung og de andre er lette.

LHCb-samarbejdet besluttede at rette op på denne udeladelse og søgte efter andre ophidsede stater Ωcsystemer med en masse over 2960 MeV. Til dette formål er næsten alle de hidtil akkumulerede statistikker blevet analyseret: Dette er hele mængden af ​​data fra Run 1-sessionen (total lysstyrke 1 fb−1 på energien 7 TeV og 2 fb−1 på energien på 8 TeV) og begyndelsesvolumenet af Run 2 sessionen (0,3 fb−1).En ny artikel rapporterer om en rig "fangst": Fem pålideligt identificerede ophidsede stater i Ω-systemet ramte samarbejdsnetværket.c og en bred struktur, i forhold til hvilken fysikere hidtil afstår fra entydige fortolkninger.

Praktiske forsøg med Large Hadron Collider er, at en række hadroner er født i protonkollisioner, så der er ingen grund til at bekymre sig om det. Det er meget sværere at genkende den ønskede partikel ved dets forfald. Den mest hensigtsmæssige måde er at opbygge fordelingen over den invariante masse af partikelnedbrydningsprodukter. Denne distribution er normalt jævn, og en ny partikel manifesterer sig som en resonans – en kraftig stigning mod baggrunden for en jævn afhængighed. Der er nogle faldgruber her (skarpheden på sådanne grafer svarer ikke altid til en ny partikel), men generelt er det standardmetoden. Dette er en slags kunst, og hver gang fysikere formår at mestre det i en bestemt forfaldskanal, opstår der opdagelser. For eksempel er nylig opdaget af det samme LHCb samarbejde tetraquark og pentaquark med skjult charme fremragende illustrationer af denne teknik.

I artiklen under drøftelse søger du efter nye spændte stater Ωc-baryon blev udført gennem henfald af sådanne stater i systemet \ (\ Xi ^ + _c K ^ – \), hvis kvark sammensætning kun adskiller sig af et par u-anti-u. Den samlede masse af disse to partikler er 2960 MeV, og derfor er kun stater tyngre end denne tærskelværdi kan forfalde på dem. Partiklen \ (\ Xi ^ + _c \) er grundtilstanden for quark-kombinationen [USC], hvilket betyder, at hun lever længe nok til at have tid til at flyve et par millimeter fra fødestedet og desintegreres der. Dette sekundære vertex, hvorfra \ (pK ^ – \ pi ^ + \) skal flyve, henfaldsproduktene \ (\ Xi ^ + _ c \) er godt adskilt i rummet fra protonernes kollisionspunkt – og denne adskillelse hjælper meget med at identificere korrekte begivenheder. Sammen med undersøgelsen af ​​systemets invariante masse \ (pK ^ – \ pi ^ + \) gør dette det muligt at identificere decayproduktet \ (\ Xi ^ + _c \) fra hele hash-blandingen, der ser LHCb-detektoren (figur 1). Generelt var der omkring en million af sådanne begivenheder.

Hver gang en begivenhed indeholder en \ (\ Xi ^ + _c \) – baryon, forsøgte fysikere at kombinere det med en anden K-meson og måle den invariante masse \ (\ Xi ^ + _c K ^ – \) – systemet. Omkring hundreder af tusindvis af arrangementer formåede at gøre dette. Som følge heraf blev der efter en analyse af alle statistikker samlet en imponerende prøve af \ (\ Xi ^ + _c K ^ – \), og det var muligt at konstruere en meget detaljeret fordeling over deres invariant masse. Denne graf, der er vist i fig.3, og der er et vigtigt resultat af arbejdet.

Fig. 3. Fordeling ved invariant masse \ (\ Xi ^ + _c K ^ – \) – systemer fra tærsklen til 3300 MeV. Sorte prikker – eksperimentelle data rød kurve – Den bedste beskrivelse af data under hensyntagen til baggrunden og flere nye resonanser rødt histogram – testfordeling Billede fra artiklen under drøftelse

Det ses tydeligt, at de eksperimentelle data tegner fem skarpe, smalle toppe ved masser på 3000, 3050, 3066, 3090 og 3119 MeV. Deres bredde er flere MeV eller endda mindre end 1 MeV for Ωc(3050). Deres statistiske betydning er meget høj og nogle gange overstiger 20σ, men det kan ses med øjet, at der ikke er nogen tvivl om deres eksistens. Derudover viser statistisk analyse med lige store masser forekomsten af ​​en bred pukkel med en top i området 3188 MeV. Denne bump kan have en anden oprindelse; nogle varianter blev analyseret i artiklen, men han har endnu ikke modtaget en endelig forklaring.

LHCb-samarbejdet udførte også flere kontroller, at de detekterede resonanser afspejler reel forbedret interaktion og ikke er resultatet af nogle fremmede faktorer. For eksempel på samme billede. 3 er en rød stregdiagram nedenfor.Disse er begivenheder, der ser næsten ud, bortset fra at de tre partikler \ (pK ^ – \ pi ^ + \) svinger lidt i masse med \ (\ Xi ^ + _c \) – baryon. Som følge heraf er ingen strukturer synlige.

En endnu mere visuel analyse blev udført, hvor partiklen \ (\ Xi ^ + _ c \) blev genoprettet på samme måde, men så forsøgte fysikerne at kombinere den ikke med et negativt, men med en positiv K-meson (figur 4). Sådanne uregelmæssige kombinationer burde ikke have genereret nogen udbrud – og dataene viste dette. Desuden er det klart, at i begyndelsen, hvor tærsklen for fødslen begynder, opfører de to grafer forskelligt. Rød, med de samme ladede partikler, starter fra nul og vokser glat og sort, med modsat ladede partikler, hopper skarpt op og markerer sig på plads indtil den første resonans. Analyse har vist, at denne forskel også er helt forklaret af de samme nye baryoner. Faktum er, at nogle af dem henfaldt i virkeligheden gennem en anden kanal og producerede, ud over det samme sæt af endelige partikler, en anden foton. Denne foton transporterede energi væk, men det blev ikke taget i betragtning ved udvælgelsen af ​​hændelser og i restaureringen af ​​de invariante masser af hadroner.Som følge heraf har nye resonanser skabt en yderligere "glint" på grafen med en invariant masse under deres egen masse; dette er det grå skyggede område i fig. 3. Alt dette overbeviser os endnu en gang om, at analysen er udført korrekt, og at der ikke er skjulte genstande i det, der er i stand til at lede fysikere på det forkerte spor.

Fig. 4. Sammenligning af korrekt (sorte prikker) og forkert (rødt histogram) \ (\ Xi ^ + _c K \) – kombinationer. Billede fra artiklen under drøftelse

Hvad angår fortolkningen af ​​de påviste partikler, er dette meget fremtidige arbejde og målinger. Hidtil har forskere ikke draget nogen konklusioner om deres spin, paritet, orbital bevægelse af kvarkerne i dem. Det vil være interessant at vide, hvor klart disse teoretikere vil kunne forklare dette spektrum af ophidsede stater. Her er der en ekstra intriger – et tomt område med masser under 2960 MeV, som ikke kan kontrolleres med denne metode. Hvem ved, hvor mange ubehagelige ophidsede stater Ωc-baryon gemmer sig der!

Kilde: LHCb Samarbejde. Observation af fem nye smalle Ωc stater henfalder til Ξc+K // preprint arXiv: 1703.04639 [hep-ex] (14. marts 2017).

Se også:
1) LHCb observerer en usædvanligt stor gruppe partikler, en notat på CERNs hjemmeside.
2) Udvalgte LHCb samarbejde resultater med en tilgængelig beskrivelse af opdagelsen.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: