CERN Accelerating science

Dieses Medienupdate ist Teil einer Reihe im Zusammenhang mit der Large Hadron Collider Physics Conference 2020, die vom 25. bis 30. Mai 2020 stattfindet. Die ursprünglich in Paris geplante Konferenz findet aufgrund der COVID-19-Pandemie vollständig online statt.

Die ALICE–, CMS– und LHCb-Kollaborationen am CERN präsentieren neue Messungen, die zeigen, wie Charmed–Teilchen – Teilchen, die Charm-Quarks enthalten – als “Boten” zweier Materieformen dienen können, die aus Quarks und Gluonen bestehen: Hadronen, die den größten Teil der sichtbaren Materie im heutigen Universum ausmachen; und das Quark-Gluon-Plasma, von dem angenommen wird, dass es im frühen Universum existiert hat und das bei Schwerionenkollisionen am Large Hadron Collider (LHC) nachgebildet werden kann. Durch das Studium bezauberter Teilchen können Physiker mehr über Hadronen erfahren, in denen Quarks durch Gluonen gebunden sind, sowie über das Quark–Gluon-Plasma, in dem Quarks und Gluonen nicht in Hadronen eingeschlossen sind.

Die wichtigsten Ergebnisse sind:

Das LHCb-Team erhielt die bisher genauesten Messungen von zwei Eigenschaften eines Teilchens, das als xc1 (3872) bekannt ist, ein Hadron, das Charm-Quarks enthält. Das Teilchen wurde 2003 entdeckt und es ist unklar geblieben, ob es sich um ein Zwei-Quark–Hadron handelt, ein exotischeres Hadron wie ein Tetraquark – ein System von vier Quarks, die eng miteinander verbunden sind – oder ein Paar von Zwei-Quark-Teilchen, die schwach in einer molekülähnlichen Struktur gebunden sind. Die Natur dieses Hadrons zu bestimmen, könnte das Verständnis der Physiker darüber erweitern, wie Quarks in Hadronen binden. “Unsere Ergebnisse stimmen damit überein, dass xc1 (3872) ein Paar von Zwei-Quark-Teilchen ist, die lose miteinander verbunden sind, aber es schließt die Tetraquark-Hypothese oder andere Möglichkeiten nicht vollständig aus”, sagt LHCb-Sprecher Giovanni Passaleva.

Die CMS-Kollaboration beobachtete zum ersten Mal die Umwandlung oder den “Zerfall” eines anderen Teilchens, genannt B0s, in dasselbe xc1 (3872) -Teilchen. Die Forscher verglichen diesen Zerfall mit dem zuvor beobachteten Zerfall des B + -Mesons, der 2003 zum ersten Nachweis des xc1 (3872) geführt hatte. Beide Arten des Zerfalls verbinden das Verhalten dieses Hadrons mit den Aufwärts- und Abwärtsquarks. “Die gemessenen Unterschiede in den Zerfallsraten sind faszinierend und könnten weitere Einblicke in die Natur von xc1 (3872) geben, die noch nicht vollständig geklärt ist”, sagt CMS-Sprecher Roberto Carlin.

Die ALICE-Kollaboration hat den sogenannten elliptischen Fluss von Hadronen, die Charm-Quarks enthalten, in Schwerionenkollisionen gemessen. Die Hadronen entstehen bei Kollisionen, die auch ein Quark-Gluon-Plasma erzeugen. Hadronen, die schwere Quarks enthalten, wie das Charm–Quark, sind ausgezeichnete “Boten” des Quark-Gluon-Plasmas, was bedeutet, dass sie wichtige Informationen darüber enthalten. “Das von ALICE beobachtete Muster deutet darauf hin, dass die schweren Charm–Quarks durch die Expansion des Quark-Gluon-Plasmas gezogen werden”, sagt ALICE-Sprecher Luciano Musa.

Mit Blick auf die Zukunft wollen die LHC-Kollaborationen genauere Messungen dieser Boten der Quarkwelt mit Daten aus dem nächsten LHC-Lauf durchführen, der von weitgehend verbesserten Experimentaufbauten profitieren wird.

Lesen Sie weiter unten für eine umfassende Beschreibung dieser Ergebnisse.

Charm Quark Ergebnisse in Bezug auf Hadronen

Die LHCb und CMS Kollaborationen beschreiben Ergebnisse aus ihren Studien eines Hadrons, bekannt als xc1(3872). Das Teilchen wurde 2003 vom Belle-Experiment in Japan entdeckt, aber es ist unklar geblieben, ob es sich um ein Zwei-Quark–Hadron handelt, ein exotischeres Hadron wie ein Tetraquark – ein System von vier Quarks, die eng miteinander verbunden sind – oder ein Paar von zwei-Quark-Teilchen, die schwach in einer molekülartigen Struktur gebunden sind.

Die Natur von xc1(3872) zu bestimmen, könnte das Verständnis der Physiker darüber erweitern, wie Quarks in Hadronen binden. Die neuen Studien der CMS- und LHCb-Kollaborationen werfen ein neues Licht auf die Natur dieses Teilchens, enthüllen es aber noch nicht vollständig.

Mit ausgeklügelten Analysetechniken und zwei verschiedenen Datensätzen erhielt das LHCb-Team die bisher genauesten Messungen der Masse des Partikels und bestimmte erstmals mit einer Signifikanz von mehr als fünf Standardabweichungen die “Breite” des Partikels, einen Parameter, der die Lebensdauer des Partikels bestimmt.

Bisher konnten Forscher nur Obergrenzen für die zulässigen Werte dieses Parameters ermitteln. Die LHCb-Forscher entdeckten xc1 (3872) -Partikel in ihren Datensätzen mit der klassischen “Bump” -Jagdtechnik, bei der nach einem Überschuss (dem Bump) von Kollisionsereignissen über einem glatten Hintergrund gesucht wurde. Jeder Datensatz führte zu einer Messung der Masse und Breite, und die Ergebnisse beider Datensätze stimmen überein.

“Unsere Ergebnisse sind nicht nur die bisher genauesten, sie zeigen auch, dass die Masse von xc1(3872) bemerkenswert nahe an der Summe der Massen der D0- und D * 0-Charmed-Mesonen liegt”, sagt LHCb-Sprecher Giovanni Passaleva. “Dies stimmt damit überein, dass xc1 (3872) ein Paar von Zwei-Quark-Teilchen ist, die lose miteinander verbunden sind, aber es schließt die Tetraquark-Hypothese oder andere Möglichkeiten nicht vollständig aus.”

Bei der Analyse eines großen Datensatzes, der im Laufe von drei Jahren aufgezeichnet wurde, beobachtete die CMS-Kollaboration zum ersten Mal die Transformation oder den “Zerfall” des B0s-Teilchens in das xc1 (3872) und a ϕ Meson. Dieses Zwei-Quarkteilchen, B0s, ist ein Verwandter des B + -Mesons, bei dessen Zerfall das Belle-Experiment zuerst xc1 (3872) nachwies. Wie das LHCb-Team erkannte das CMS-Team xc1 (3872) mit der Bump-Technik.

“Unser Ergebnis ist besonders interessant, weil wir festgestellt haben, dass die Geschwindigkeit, mit der das B0s in das Hadron xc1 (3872) und das ϕ-Meson zerfällt, der des B0 in xc1 (3872) und ein Anti-K0-Meson ähnlich ist, während es etwa doppelt so niedrig ist wie die des zuvor beobachteten B + -Zerfalls in xc1 (3872) und das K + -Meson”, sagt CMS-Sprecher Roberto Carlin. “Bei diesen Zerfällen spielen andere Quarks als das Bottom-Quark eine Rolle”, erklärt Carlin. “Die Tatsache, dass die Zerfallsraten keinem offensichtlichen Muster folgen, könnte Aufschluss über die Natur von xc1 geben (3872).”

Charm–Quark-Ergebnisse bezogen sich auf das Quark-Gluon-Plasma

Am anderen Ende des Quark-Bindungsspektrums hat die ALICE-Kollaboration den sogenannten elliptischen Fluss von Hadronen gemessen, die ein Charm-Quark enthalten, das entweder an ein leichtes Quark gebunden ist (ein D-Meson bildet) oder an einen Anticharm (ein J / ψ-Meson bildet) in Schwerionenkollisionen. Hadronen mit schweren Quarks, Charm oder Bottom, sind ausgezeichnete Boten des bei diesen Kollisionen gebildeten Quark–Gluon-Plasmas. Sie werden in den Anfangsstadien der Kollisionen vor dem Auftauchen des Plasmas erzeugt und interagieren somit während seiner gesamten Entwicklung mit den Plasmabestandteilen, von seiner schnellen Expansion bis zu seiner Abkühlung und seiner eventuellen Umwandlung in Hadronen.

Wenn schwere Kerne nicht frontal kollidieren, wird das Plasma verlängert und seine Ausdehnung führt zu einer dominanten elliptischen Modulation der Impulsverteilung oder des Flusses der Hadronen. Das ALICE-Team fand heraus, dass bei niedrigem Impuls der elliptische Fluss von D-Mesonen nicht so groß ist wie der von Pionen, die nur leichte Quarks enthalten, während der elliptische Fluss von J / ψ-Mesonen niedriger ist als beide, aber deutlich beobachtet wird.

“Dieses Muster deutet darauf hin, dass die schweren Charm–Quarks durch die Expansion des Quark-Gluon-Plasmas gezogen werden”, sagt ALICE-Sprecher Luciano Musa, “aber wahrscheinlich in geringerem Maße als leichte Quarks, und dass sowohl D- als auch J / ψ-Mesonen bei niedrigem Impuls teilweise durch die Bindung oder Rekombination fließender Quarks gebildet werden.”

Eine weitere vom ALICE-Team durchgeführte Messung des Elektronenflusses, der aus Zerfällen von B-Hadronen stammt, die ein Bottom–Quark enthalten, zeigt, dass Bottom–Quarks auch für die längliche Form des Quark-Gluon-Plasmas empfindlich sind. Upsilon-Teilchen, die aus einem Bottom-Quark und seinem Antiquark bestehen, zeigen im Gegensatz zu einem Charm und Anticharm wie dem J / ψ keinen signifikanten Fluss, wahrscheinlich aufgrund ihrer viel größeren Masse und der geringen Anzahl von Bottom-Quarks, die für die Rekombination zur Verfügung stehen.

Lesen Sie mehr auf den CMS- und LHCb-Websites:

• https://cms.cern/news/discreet-charm-x3872
• https://lhcb-public.web.cern.ch/ Willkommen.html#X(3872)2020

Originalpapiere:

• ALICE: https://arxiv.org/abs/2005.11131
• ALICE: https://arxiv.org/abs/2005.11130
• ALICE: https://arxiv.org/abs/2005.14518
• CMS: https://arxiv.org/abs/2005.04764
• LHCb: https://arxiv.org/abs/2005.13422
• LHCb: https://arxiv.org/abs/2005.13419