CERN Accelerating science

deze media-update maakt deel uit van een serie gerelateerd aan de 2020 Large Hadron Collider Physics conference, die plaatsvindt van 25 tot 30 mei 2020. De conferentie was oorspronkelijk gepland in Parijs, maar wordt volledig online gehouden vanwege de covid-19-pandemie.De ALICE, CMS en LHCb samenwerkingen op CERN presenteren nieuwe metingen die laten zien hoe gecharmeerde deeltjes-deeltjes die charm quarks bevatten-kunnen dienen als “boodschappers” van twee vormen van materie die bestaan uit quarks en gluonen: hadrons, die het grootste deel van de zichtbare materie in het huidige universum uitmaken; en het quark–gluonplasma, waarvan wordt aangenomen dat het bestond in het vroege universum en kan worden gereproduceerd in zware-ion botsingen bij de Large Hadron Collider (LHC). Door het bestuderen van gecharmeerde deeltjes kunnen natuurkundigen meer leren over hadronen, waarin quarks gebonden zijn door gluonen, evenals het quark–gluonplasma, waarin quarks en gluonen niet opgesloten zitten in hadronen.

de belangrijkste resultaten zijn:

het LHCb-team heeft de meest nauwkeurige metingen van twee eigenschappen verkregen van een deeltje dat bekend staat als xc1(3872), een Hadron die charm quarks bevat. Het deeltje werd ontdekt in 2003 en het is onduidelijk gebleven of het een tweekwark hadron, een meer exotische hadron zoals een tetraquark-een systeem van vier quarks strak aan elkaar gebonden – of een paar tweekwark deeltjes zwak gebonden in een molecule – achtige structuur. Door de aard van deze hadron vast te leggen, kunnen natuurkundigen beter begrijpen hoe quarks zich binden aan hadrons. “Onze resultaten komen overeen met xc1 (3872) als een paar tweekwarkdeeltjes die los aan elkaar zijn gebonden, maar het sluit de tetraquarkhypothese of andere mogelijkheden niet volledig uit”, zegt LHCb-woordvoerder Giovanni Passaleva.

de CMS-samenwerking waargenomen voor het eerst de transformatie, of “verval”, van een ander deeltje, genaamd B0s, in hetzelfde XC1(3872) deeltje. De onderzoekers vergeleken dit verval met het eerder waargenomen verval van het B + meson, wat in 2003 leidde tot de eerste detectie van de xc1(3872). Beide soorten verval koppelen het gedrag van deze hadron aan de up en strange quarks. “Gemeten verschillen in vervalpercentages zijn intrigerend en kunnen meer inzicht geven in de aard van de xc1(3872), die nog niet volledig is vastgesteld,” zegt CMS-woordvoerder Roberto Carlin.

de ALICE-samenwerking meet de zogenaamde elliptische stroom van hadrons die charm quarks bevatten, bij zware ion-botsingen. De hadrons ontstaan tijdens botsingen die ook een quark-gluonplasma creëren. Hadrons met zware quarks, zoals de charm quark, zijn uitstekende “boodschappers” van het quark–gluonplasma, wat betekent dat ze belangrijke informatie over het dragen. “Het patroon dat ALICE heeft waargenomen, geeft aan dat de zware charm quarks worden meegesleept door de expansie van het quark–gluonplasma”, zegt Luciano Musa, woordvoerder van ALICE.Met het oog op de toekomst hebben de LHC-samenwerkingen tot doel nauwkeuriger metingen te verrichten van deze boodschappers van de quarkwereld met behulp van gegevens van de volgende LHC-run, die zullen profiteren van grotendeels verbeterde experimentopstellingen.

lees hieronder meer voor een uitgebreide beschrijving van deze resultaten.

Charm quark resultaten gerelateerd aan hadrons

de LHCb en CMS samenwerkingen beschrijven resultaten van hun studies van een hadron bekend als xc1(3872). Het deeltje werd ontdekt in 2003 door het Belle-experiment in Japan, maar het is onduidelijk gebleven of het een tweekwark hadron is, een meer exotische hadron zoals een tetraquark – een systeem van vier quarks die nauw met elkaar verbonden zijn – of een paar tweekwarkdeeltjes die zwak gebonden zijn in een molecule-achtige structuur.Door de aard van xc1(3872) vast te leggen, kunnen natuurkundigen beter begrijpen hoe quarks zich binden aan hadronen. De nieuwe studies van de CMS en LHCb samenwerkingen werpen nieuw licht op – maar onthullen nog niet volledig-de aard van dit deeltje.

met behulp van geavanceerde analysetechnieken en twee verschillende datasets, heeft het LHCb-team de meest nauwkeurige metingen tot nu toe van de massa van het deeltje verkregen en voor het eerst en met een Betekenis van meer dan vijf standaarddeviaties de “breedte” van het deeltje bepaald, een parameter die de levensduur van het deeltje bepaalt.

tot nu toe konden onderzoekers alleen bovengrenzen verkrijgen voor de toegestane waarden van deze parameter. De LHCb onderzoekers gedetecteerd XC1 (3872) deeltjes in hun datasets met behulp van de klassieke “bump”-jacht techniek van het zoeken naar een overmaat (de bump) van botsing gebeurtenissen over een gladde achtergrond. Elke dataset leidde tot een meting van de massa en breedte, en de resultaten van beide datasets komen met elkaar overeen.

“onze resultaten zijn niet alleen de meest nauwkeurige tot nu toe, ze tonen ook aan dat de massa van xc1(3872) opmerkelijk dicht bij de som van de massa’ s van de D0 en D*0 gecharmeerde mesonen ligt,” zegt LHCb-woordvoerder Giovanni Passaleva. “Dit is consistent met xc1 (3872) dat een paar tweekwarkdeeltjes losjes aan elkaar gebonden is, maar het sluit de tetraquarkhypothese of andere mogelijkheden niet volledig uit.”

ondertussen, bij het analyseren van een grote dataset die in de loop van drie jaar werd geregistreerd, werd door de CMS-samenwerking voor het eerst de transformatie of “verval” waargenomen van het B0s-deeltje in het xc1(3872) en een ϕ-meson. Dit tweekwarkdeeltje, B0s, is een verwant van het B+ – meson, in het verval waarvan het Belle-experiment voor het eerst XC1(3872) ontdekte. Net als het LHCb-team detecteerde het CMS-team xc1(3872) met behulp van de bumptechniek.

“ons resultaat is bijzonder interessant omdat we vonden dat de snelheid waarmee de B0′ s vervallen tot het hadron xc1(3872) en het ϕ meson vergelijkbaar is met die van het B0 in xc1(3872) en een anti-K0 meson, terwijl het ongeveer twee keer zo laag is als die voor het eerder waargenomen B+ verval in xc1(3872) en het K+ meson,” zegt CMS-woordvoerder Roberto Carlin. “In deze vervaldagen Spelen andere quarks dan de bodemkwark een rol”, legt Carlin uit. “Het feit dat de vervalsnelheden geen duidelijk patroon volgen kan licht werpen op de aard van xc1(3872).”

Charm quark resultaten gerelateerd aan het quark–gluonplasma

aan het andere uiteinde van het quarkbindingsspectrum meet de ALICE-samenwerking de zogenaamde elliptische stroom van hadronen die een charm quark bevatten, gebonden aan een lichte quark (die een D-meson vormt) of aan een anticharm (die een J/ψ-meson vormt) bij zware ion-botsingen. Hadrons met zware quarks, charme of bodem, zijn uitstekende boodschappers van het quark–gluon plasma gevormd in deze botsingen. Ze worden geproduceerd in de eerste stadia van de botsingen, voordat het plasma verschijnt, en interageren dus met de plasmabestanddelen gedurende de gehele evolutie, van zijn snelle expansie tot zijn afkoeling en zijn uiteindelijke transformatie in hadronen.

wanneer zware kernen niet frontaal botsen, wordt het plasma langgerekt en leidt de expansie ervan tot een dominante elliptische modulatie van de impulsverdeling of stroom van de hadrons. Het ALICE-team ontdekte dat bij een laag momentum de elliptische stroom van D-mesonen niet zo groot is als die van pions, die alleen lichte quarks bevatten, terwijl de elliptische stroom van J/ψ-mesonen lager is dan beide, maar duidelijk waargenomen.”Dit patroon geeft aan dat de zware charm quarks worden meegesleurd door de expansie van het quark gluonplasma,” zegt Luciano Musa, woordvoerder van ALICE, “maar waarschijnlijk in mindere mate dan lichte quarks, en dat zowel D–als J/ψ-mesonen bij een laag momentum gedeeltelijk worden gevormd door de binding, of recombinatie, van vloeiende quarks.”

een andere meting uitgevoerd door het ALICE team – van de stroom van elektronen afkomstig van verval van B hadronen, die een bodemkwark bevatten – geeft aan dat bodemkwarks ook gevoelig zijn voor de langwerpige vorm van het quark–gluonplasma. De upsilondeeltjes, die uit een bodemkwark en zijn antiquark, in tegenstelling tot een charme en anticharm zoals j/ψ worden samengesteld, vertonen geen significante stroom, waarschijnlijk wegens hun veel grotere massa en het kleine aantal bodemquarks beschikbaar voor recombinatie.

Lees meer op de websites van CMS en LHCb:

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

Original papers:

• 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