CERN Accelerating science

tämä mediapäivitys on osa sarjaa, joka liittyy 2020 Large Hadron Collider Physics conference-konferenssiin, joka pidetään 25.-30. toukokuuta 2020. Alun perin konferenssi oli tarkoitus järjestää Pariisissa, mutta se pidetään kokonaan verkossa COVID-19-pandemian vuoksi.

Alicen, CMS: n ja LHCb: n yhteistyö CERNissä esittelee uusia mittauksia, jotka osoittavat, kuinka lumotut hiukkaset – charmi – kvarkkeja sisältävät hiukkaset-voivat toimia kahden kvarkeista ja gluoneista koostuvan aineen “sanansaattajina”: hadronit, jotka muodostavat suurimman osan näkyvästä aineesta nykyisessä maailmankaikkeudessa; ja kvarkki–gluoniplasma, jonka arvellaan olleen olemassa jo varhaisessa maailmankaikkeudessa ja joka voidaan luoda uudelleen raskaiden ionien törmäyksissä Large Hadron Colliderissa (LHC). Lumottuja hiukkasia tutkimalla fyysikot voivat oppia lisää hadroneista, joissa kvarkit ovat gluonien sitomia, sekä kvarkki–gluoniplasmasta, jossa kvarkit ja gluonit eivät ole rajoittuneet hadroneihin.

päätulokset ovat:

LHCb-ryhmä sai toistaiseksi tarkimmat mittaukset hiukkasen kahdesta ominaisuudesta, jotka tunnetaan nimellä xc1 (3872), charm-kvarkkeja sisältävästä hadronista. Hiukkanen löydettiin vuonna 2003, ja on jäänyt epäselväksi, onko kyseessä kahden kvarkin hadron, eksoottisempi hadron, kuten tetrakvarkki-neljän kvarkin tiiviisti yhteen sitoutunut järjestelmä – vai kahden kvarkin hiukkaspari, joka on heikosti sitoutunut molekyylin kaltaiseen rakenteeseen. Hadronin luonteen selvittäminen voisi laajentaa fyysikoiden käsitystä siitä, miten kvarkit sitoutuvat hadroneiksi. “Tuloksemme ovat yhdenmukaisia sen kanssa, että xc1(3872) on kahden kvarkin hiukkaspari, joka on löyhästi sitoutunut yhteen, mutta se ei täysin sulje pois tetrakvarkkihypoteesia tai muita mahdollisuuksia”, sanoo LHCb: n tiedottaja Giovanni Passaleva.

CMS-yhteistyö havaitsi ensimmäistä kertaa toisen hiukkasen, B0s: n, muuttumisen eli “hajoamisen” samaksi xc1(3872) hiukkaseksi. Tutkijat vertasivat tätä hajoamista aiemmin havaittuun B + mesonin hajoamiseen, jonka seurauksena xc1(3872) havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 2003. Molemmat hajoamistyypit yhdistävät tämän hadronin käyttäytymisen up – ja outoihin kvarkkeihin. “Mitatut erot hajoamisnopeuksissa ovat kiehtovia ja voivat antaa lisää tietoa xc1: n(3872) luonteesta, jota ei ole vielä täysin vahvistettu”, sanoo CMS: n tiedottaja Roberto Carlin.

ALICE-yhteistyö mittasi niin sanottua charmikvarkkeja sisältävien hadronien elliptistä virtausta raskasionitörmäyksissä. Hadronit syntyvät törmäyksissä, joista syntyy myös kvarkki-gluoniplasmaa. Raskaita kvarkkeja sisältävät hadronit ovat charm-kvarkin tavoin erinomaisia kvarkki–gluoniplasman” sanansaattajia”, eli niillä on siitä tärkeää tietoa. “Alicen havaitsema kuvio viittaa siihen, että kvarkki–gluoniplasman laajeneminen vetää puoleensa raskaita charmi-kvarkkeja”, sanoo Alicen tiedottaja Luciano Musa.

tulevaisuudessa LHC-yhteistyöllä pyritään tekemään tarkempia mittauksia näistä kvarkkimaailman sanansaattajista käyttämällä seuraavan LHC-ajon dataa, joka hyötyy suurelta osin päivitetyistä kokeiluasetuksista.

Lue lisää alla olevasta kattavasta kuvauksesta näistä tuloksista.

Charm quark – tulokset, jotka liittyvät hadroneihin

LHCb – ja CMS-yhteistyöryhmät kuvaavat tutkimustuloksia hadronista, joka tunnetaan nimellä xc1 (3872). Hiukkanen löydettiin vuonna 2003 Belle-kokeessa Japanissa, mutta on jäänyt epäselväksi, onko kyseessä kahden kvarkin hadron, eksoottisempi hadron, kuten tetrakvarkki – neljän kvarkin järjestelmä, joka on tiiviisti sidoksissa toisiinsa – vai kahden kvarkin hiukkaspari, joka on heikosti sitoutunut molekyylin kaltaiseen rakenteeseen.

XC1: n(3872) luonteen selvittäminen voisi laajentaa fyysikoiden käsitystä siitä, miten kvarkit sitoutuvat hadroneiksi. CMS: n ja LHCb: n yhteistyönä tehdyt uudet tutkimukset antavat uutta tietoa tämän hiukkasen luonteesta, mutta eivät vielä täysin paljasta sitä.

käyttäen pitkälle kehitettyjä analyysimenetelmiä ja kahta eri tietokokonaisuutta LHCb-ryhmä sai aikaan toistaiseksi tarkimmat mittaukset hiukkasen massasta ja määritti ensimmäistä kertaa, ja sen merkitys oli yli viisi standardipoikkeamaa hiukkasen “leveys”, parametri joka määrittää hiukkasen eliniän.

tähän asti tutkijat olivat voineet saada vain ylärajat tämän parametrin sallituille arvoille. LHCb: n tutkijat havaitsivat xc1(3872)-hiukkasia aineistoissaan käyttäen klassista “bump” – metsästystekniikkaa, jossa etsittiin törmäystapahtumien ylimäärää (törmäystä) sileän taustan yli. Jokainen aineisto johti massan ja leveyden mittaamiseen, ja molempien aineistojen tulokset ovat yhtäpitäviä keskenään.

“tuloksemme eivät ole vain toistaiseksi tarkimpia, vaan ne osoittavat myös, että xc1: n(3872) massa on huomattavan lähellä D0: n ja D*0: n lumottujen mesonien massojen summaa”, sanoo LHCb: n tiedottaja Giovanni Passaleva. “Tämä on yhtäpitävää sen kanssa, että xc1(3872) on kahden kvarkin hiukkaspari, joka on löyhästi sitoutunut yhteen, mutta se ei täysin sulje pois tetrakvarkkihypoteesia tai muita mahdollisuuksia.”

sillä välin analysoidessaan kolmen vuoden aikana kirjattua suurta aineistoa CMS-yhteistyö havaitsi ensimmäistä kertaa b0s-hiukkasen muuttumisen eli “hajoamisen” XC1: ksi(3872) ja A ϕ mesoniksi. Tämä kahden kvarkin hiukkanen, B0s, on B+ mesonin sukulainen, jonka hajoamisessa Belle-koe havaitsi ensimmäisen kerran xc1: n(3872). LHCb-tiimin tavoin CMS-tiimi havaitsi XC1: n (3872) bump-tekniikalla.

“tuloksemme on erityisen mielenkiintoinen, koska huomasimme, että nopeus, jolla B0s hajoaa hadroniksi xc1(3872) ja ϕ mesoniksi, on samanlainen kuin B0: n nopeus XC1: ksi(3872) ja anti-K0 mesoniksi, kun taas se on noin kaksi kertaa matalampi kuin aiemmin havaitun B+: n hajoaminen xc1: ksi(3872) ja K+ mesoniksi”, kertoo CMS: n tiedottaja Roberto Carlin. “Näissä hajoamisissa eri kvarkeilla, muilla kuin pohjavarkilla, on oma roolinsa”, Carlin selittää. “Se, että hajoamisnopeus ei seuraa ilmeistä kaavaa, voi valaista xc1: n(3872) luonnetta.”

Charm-kvarkkitulokset, jotka liittyvät kvarkki–gluoniplasmaan

kvarkkia sitovan spektrin toisessa päässä ALICE-yhteistyössä mitattiin niin sanottu hadronien elliptinen virtaus, joka sisälsi charm-kvarkin, joka oli joko sitoutunut kevyeen kvarkkiin (muodostaen d-mesonin) tai antikvarkkiin (muodostaen J/ψ mesonin) raskasionitörmäyksissä. Hadronit, jotka sisältävät raskaita kvarkkeja, charmia tai pohjaa, ovat erinomaisia näissä törmäyksissä muodostuvan kvarkki–gluoniplasman sanansaattajia. Ne syntyvät törmäysten alkuvaiheissa, ennen plasman syntyä, ja ovat siten vuorovaikutuksessa plasman aineosien kanssa koko sen evoluution ajan sen nopeasta laajenemisesta sen jäähtymiseen ja lopulta muuttumiseen hadroneiksi.

kun raskaat ytimet eivät törmää pää edellä, plasma on pitkänomainen ja sen laajeneminen johtaa hadronien liikemäärän jakautumisen eli virtauksen hallitsevaan elliptiseen modulaatioon. Alicen ryhmä havaitsi, että pienellä liikemäärällä d-mesonien elliptinen virtaus ei ole yhtä suuri kuin pionien, jotka sisältävät vain kevyitä kvarkkeja, kun taas J/ψ-mesonien elliptinen virtaus on molempia pienempi, mutta selvästi havaittu.

” Tämä kuvio viittaa siihen, että kvarkki–gluoniplasman laajeneminen vetää raskaita kvarkkeja puoleensa”, sanoo Alicen tiedottaja Luciano Musa, ” mutta todennäköisesti vähäisemmässä määrin kuin kevyitä kvarkkeja, ja että sekä D-että J/ψ-mesonit, joilla on alhainen liikemäärä, muodostuvat osittain virtaavien kvarkkien sitomisesta eli rekombinaatiosta.”

toinen Alicen ryhmän suorittama mittaus – B hadronien hajoamisista peräisin olevien elektronien virrasta, jossa on pohjakvarkki–osoittaa, että pohjakvarkit ovat myös herkkiä kvarkki-gluoniplasman pitkulaiselle muodolle. Upsilon-hiukkasilla, jotka koostuvat pohjakvarkista ja sen antikvarkista, toisin kuin J/ψ: n kaltaisella charmilla ja antikvarkilla, ei ole merkittävää virtausta, todennäköisesti johtuen niiden paljon suuremmasta massasta ja rekombinaatioon käytettävissä olevien pohjakvarkkien vähäisestä määrästä.

Lue lisää CMS: n ja LHCb: n verkkosivuilta:

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

alkuperäiset paperit:

• Liisa: https://arxiv.org/abs/2005.11131
• Liisa: https://arxiv.org/abs/2005.11130
• Liisa: 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