Az LHCb kísérlet végre bizonyította az egzotikus Z meson (4430) valóságát • Igor Ivanov • Tudományos hírek az Elemekről • LHCb detektor, Hadron tulajdonságok, LHC

Az LHCb kísérlet végül bizonyította egy egzotikus Z meson (4430) valóságát,

Ábra. 1. Két jelölt az ökotiszta mezonok számára "border = 0>

Ábra. 1. A fizikusok már régóta vadásztak mezonokra, amelyek nem illeszkednek a minimális quark-antiquark rendszerbe. A két híres tagjelölt részecske X (3872) és Z (4430). Nem könnyű kitalálni az egzotikus mezon az első részecskeben, mert ez a részecske úgy néz ki, mint egy pár c-anti-c, és nem nyilvánul meg egzotikusságának nyilvánvaló módon. De a Z-részecske (4430) "nyíltan egzotikus", nem keveredheted közönséges mezonokkal. Az LHCb együttműködés új vizsgálata egyedileg bizonyítja a részecske valóságát. Kép: news.softpedia.com

Az LHCb-együttműködés publikálta a B meson bomlási folyamatának három hadronra vonatkozó vizsgálatát: ψ ', π és K+. Az adatok abszolút egyértelműen azt bizonyítják, hogy a rövid ideig tartó bomlás folyamán a "csillogóan egzotikus" részecske Z megjelent és szétesett (4430). Ez a részecske egy szokatlan mezon, amely nem illeszkedik a szabvány keretbe, és legalább két kvark-antikváriumpárból áll. Létéről ismert volt, de most már végre bebizonyította, hogy ez egy igazi egzotikus részecske.

Másnap, a nagy Hadron-összeütközéses kutatómunkát követõ médiában, a Z (4430) új részecske LHCb-vel való együttmûködésérõl szóló üzenetekkel tele voltak.Külön megjegyzésekben nem volt semmi kisebb az újfajta anyag felfedezésével kapcsolatban. Ezeknek az üzeneteknek a forrása ennek az együttműködésnek a cikke volt, amely valóban foglalkozik egy részecske felfedezésével; A megfelelő üzenet a CERN honlapján jelent meg.

Maguk a fizikusok számára azonban ez az LHCb eredménye nincs szenzációs hangon. Igen, ez egy részecske felfedezése, de a felfedezés felfedezése más. Vannak váratlan események felfedezései (például az Univerzum felgyorsuló terjeszkedése), van valami előre látott, de még mindig új (például a Higgs-bozon) felfedezése, és van végső megerősítés amit már korábban ismert, de a fizikusok nem voltak biztosak abban, hogy mit kell értelmezniük. Egy új LHCb cikk az ilyen felfedezés; Ez megerősíti, hogy a Z (4430), amelyet 2007-ben fedeztek fel, nem "délibáb", hanem valódi részecske, amely szokatlan tulajdonságokkal rendelkezik.

A második dolog, hogy hangsúlyozzuk, hogy egy részecske is részecske. A Higgs-bozon felfedezése valójában egy teljesen újfajta anyag felfedezése volt. És a Z részecske (4430) csak egy a több száz hadronból, a kvarkból álló részecskékből.Igen, ez egy hadron szokatlan tulajdonságokkal, amely a fizikusoknak szól valamit arról, hogy a kvarkok hogyan hatnak egymásra. De ez a részecske még mindig tartalmaz ugyanazok a kvarkokamelyek korábban ismertek voltak. Egy kicsit túlzással összehasonlíthatja ezt a munkát egy már ismert atomokból álló új kémiai vegyület szintézisével. Elfogadom, ez sokkal kevésbé lenyűgöző, mint bármely új stabil kémiai elem felfedezése!

Nos, annak érdekében, hogy még inkább mérsékeljék a hype, hasznos megjegyezni, hogy a híreket, mint a "Első alkalommal négy kvarkból álló részecske található."az utolsó példa a 2013-as hír a Z részecske felfedezésérőlc(3900), a Z részecske (4430) könnyebb "nővére", amely szintén fel van töltve, és egy egzotikus hadron is.

A Multi-Quark Kombinációk Misztériuma

Ábra. 2. Pi-meson kvark eszköz, proton és a Z részecske becsült kvark összetételec(3900) – egy tetraquarki jelölt. Kép E. Swanson-tól, 2013. Új részecske-tanácsok a Four Quark-ügyben

A hadronok struktúrájának kvarkmodellje nagyon egyszerűnek tűnik. Vigyük a kvarkokat, kombináljuk őket úgy, hogy teljes színáruk – a kvarkok közötti erős interakciót biztosító jellemző kompenzálja, majd egy teljesen életképes hadron kiderüljön.A színkorrekció minimális kombinációja három kvark vagy kvark-antikvárium pár. Elméletileg bonyolultabb, színtelen kombinációkat hozhatunk létre, például hat quark, pentaquark (négy quark és egy antiquark), tetraquark (két kvark és két antiquark) és így tovább (2. Azok a hadronok, amelyek nem illeszkednek a minimális sémába, nevezik egzotikus. A naiv kvark modell szempontjából mindezen kombinációknak is joga van létezni. A probléma az, hogy a kísérletben nincsenek ott – vagy inkább nem léteztek egy nagyon hosszú ideig. Ha erőszakkal vesz és csatlakozhat hat kvarkot (például a kombinációt uuuudd) a megfelelő színekkel, két protonban kerülnek felosztásra, és nem alkotnak egy nagy hadírt. Ha két kvarkot és két antiquarkot rendeznek össze, akkor egyszerűen csak két mezon alkotnak, amelyek egymástól szétszóródnak. Miért korlátozza a természetet csak minimális kvarkészletek korlátozzák, és így "nem tetszik" a több quark államok – ez a fizika egyik legfontosabb misztériuma.

Hosszú ideig nem volt teljesen világos: a több-kvark hadronokat teljesen tiltja néhány új törvény, vagy csak nagyon ritkán jelenik meg az elemi részecskék reakciójában? A 2000-es évek elején a helyzet drasztikusan megváltozott.Közvetlenül számos kísérleti csoport kijelentette, hogy létezik egy pentaquark létezése, amit a teoretikusok Θ előre jeleznek+; Néhány részletet lásd a népszerű történetek Pentakvark, ismét pentaquark? (2004) és a Pentaquark Search (2013). Ezután több tucat új tanulmány készült, de nem mutatott semmilyen pentaquark jelet. Még azok a kísérletek is, amelyek kezdetben az ő megfigyelésére jelentettek, új adatok felvétele után kénytelenek voltak elismerni, hogy az eredeti hatás statisztikai ingadozásnak tűnt. A kísérleti adatokkal való teljes egyértelműség soha nem érhető el, de a szakértők túlnyomó többsége úgy véli, hogy a felhalmozott statisztikákban nincs meggyőző jelzés erre a részecskére. A 2012-es helyzet leírása megtalálható a pentaquark-vita című cikkben. Bár ez nem terjed ki a pentaquarkok lehetőségére, nyilvánvaló, hogy más módon kell keresni őket.

A pentaquark-thrillerrel párhuzamosan újabb szaga alakult ki – új varázsolt mezonok felfedezése, amelyek szokatlan tulajdonságaik miatt azonnal gyanúsították a tetraquarkok családjában való részvételt.Mivel nem volt teljesen világos, hogyan osztályozzák ezeket a mezonokat, betűket azonosítottak az ábécé végén, hogy kijelöljék őket; most együttesen az XYZ-családnak hívják őket. Az első jel a meson X (3872) volt, melyet 2003-ban fedeztek fel (a zárójelben lévő szám a MeV részecske tömege). Ezt követték több más részecske is, beleértve a nehézeket is, tömegük 10 GeV tartományban, és még elektromosan töltött. Azt kell mondanom, hogy az egzotikus gyanúval rendelkező új részecskék ilyen sokasága meglehetősen váratlan volt a fizikusok számára. Ez egyfajta "nyereményjáték" volt az elektron-pozitron ütközők számára, amelyek eredetileg élesek voltak a nagyon különböző mezonok tanulmányozásához.

Most már több tucat részecske van – a tetraquark államok jelöltjei. A "jelölt" szó azt jelzi, hogy az első kísérlettől a részecske teljes felismerése a tetraquark mesonnal nagyon hosszú. Mindazonáltal a tetraquark-szaga sokkal jobban fejlődik ki, mint a pentaquark-saga. A Z részecske felfedezése az együttmûködés révén (4430) egy másik, és nagyon fontos történet epizód volt.

Különböző szokatlanságú hadronok

Az új LHCb-munka helyének jellemzésére ebben a ságban először meg kell magyaráznunkhogy az egzotikus mezonok is különbözőek (1. A helyzet enyhe leegyszerûsítésével elmondhatjuk, hogy két szokatlan hadron fokozata van.

  • "Kitűnő egzotikus" hadronok, vagyis olyan részecskék, amelyek a nyilvánvaló jelek miatt nem lehetnek három kvarkból vagy kvark-antiquark párból. A két fő paraméter itt a hadron tömege és töltése. Például a részecske-tömeg Z (4430) (körülbelül 4 GeV) azt jelzi, hogy tartalmaz egy meglehetősen nagy varázsolt quark-antiquark pár (c-anti-c). Az ilyen kombinációkat charmoniumoknak hívják, és mindegyiknek elektromosan semlegesnek kell lennie. És valóban, minden szokásos varázsa, és még az egzotikus hadronok, például az X és Y részecskék jelöltjeinek többsége semleges. Azonban Z (4430)elektromosan töltött (ez vonatkozik más Z-részecskékre is), ami fizikailag lehetetlen a c-anti-c-kombinációk keretében. Következésképpen ebben a mezonban vannak más kvarkok is.
  • Hadronok rejtett egzotikusokkal. Nyilvánvaló jellemzőik jól illeszkednek az egyszerű kvark-kombinációk keretébe. Azonban, egy közelebbi pillantással olyan szokatlan jellemzőket találunk, amelyeket nehéz vagy lehetetlen leírni minimális kombinációkkal.Ez egy részecske spin és paritásának kombinációja lehet, amely a quark-antiquark állapotok jellemzője, vagy a szokatlan preferenciák a bomlásokban.

Ez a két lehetőség különbözik a kísérleti adatokban, amelyeket meg kell szerezni ahhoz, hogy bejelentsék a tetraquark megnyitását.

  • Csillogóan egzotikus hadron esetén elegendően megbízható annak bizonyítása, hogy egy ilyen részecske valóban létezik (pentaquark esetében például ez nem lehetséges).
  • A rejtett egzotikumokkal rendelkező hadronok esetében az egyszerű lét nem elég – elvégre ez rendszeres hadronnak bizonyulhat. Pontosan meg kell mérni a részecske összes szükséges tulajdonságát, majd ellenőrizni kell, hogy mit jelent a quark-antiquark elmélet, és csak akkor, ha kiderül, hogy a másik nem ért egyet, több kvark hadron deklarálható. Például, az X részecskék (3872) ebben a szakaszban ragadnak meg: létezését hosszú ideig és megbízhatóan igazolták, tulajdonságai valójában nem teljesen közönségesek, de eddig nincs megerősített konkrét bizonyíték több kvark-értelmezés mellett.

Van egy további technikai pont, ami nagymértékben bonyolítja a részecskék valóságának bizonyítását.Általában az új hadronok csúcsok formájában jelennek meg – az ún rezonanciák – a leányrészecskék megoszlásának grafikonjai invariáns tömeg alapján (lásd a lenti példákat). De ezeknél az eloszlásokban más részecskék is felléphetnek az ismert részecskék kölcsönhatásával, és nem az új hadronnal. Ezért egy új részecske jelenlétének bizonyítása nemcsak az adatok egyfajta túlfeszültségének láttán van, hanem azért is, hogy biztosítsa, hogy az nem kapcsolódik az idegen tényezőhöz. Amíg ez nem történt meg, a fizikusok pontosan beszámolnak valamilyen "rezonáns szerkezet" megfigyeléséről, és nem egy új részecske.

Hogyan keressünk új hadronokat?

A Z-részecske (4430) LHCb-együttműködésének felfedezése jó ok arra, hogy beszéljünk arról, hogy a fizikusok általánosságban információt kapjanak az új instabil hadronok létezéséről.

Minden valami már ismert hadron születésével és bomlásától kezdődik; a mi esetünkben ez egy nehéz neutrális B-mezon, amely az LHC-n született nagy energiájú protonok ütközésében. Ezek a mezonok különböző részecskék véges sorozataiból bomlanak. A szabályozáshoz A fizika nem bomlik le, de kiválaszthatják az eseményeket egy bizonyos fajta bomlástól, elemezhetik ezt a mintát, és összehasonlíthatják az adatokat az elméleti számításokkal, következtetéseket vonhatnak le a mikrovilág eszközéről.

Ábra. 3. A B-mezon bomlás feltételes diagramja, amelyből új részecske létezésére vonatkozó információt kivonták

Ebben a konkrét tanulmányban az LHCb együttműködött olyan eseményeket, amelyekben a B mezonok a hadronok ψ ', π és K+ (3. Általánosságban elmondható, hogy a B-meson bomlás ilyen változata meglehetősen ritka, valószínűsége kevesebb, mint ezred, és még a ψ'-mezonokat sem vették, csak azok, amelyek egy muon-anti-muon párra szakadnak. Az ütköző nagyfokú fényerőssége miatt azonban sok ütközés következett be, és így sok B meson születik, akkor még ilyen jelentéktelen valószínűséggel is mintegy 25 ezer szükséges eseményt rögzítettek. Ez már nagyon szilárd statisztika, és lehetővé teszi a fizikusok számára, hogy különböző energiaeloszlást, invariáns tömegeket, a részecskék szétszóródási szögét konstruálják, és mindezt összehasonlítsák elméleti számításokkal.

A bomlásban résztvevő valamennyi részecskék már régóta ismertek a fizikusok. Könnyű mezonokat (pion és kaon) fedeztek fel az elemi részecskefizika hajnalán, de a dekoltázsok évtizedek óta ismertek a nehezebb hadronok – a B-mezon és a ψ, a charmónium másik részecske. Én azonban magam mikroszkópos eljárás A B-mezon bomlás az 1. ábrán látható.3 hagyományos robbanás formájában, – bizonyos közbenső és nagyon rövid életű hadronok születése és bomlása révén tud továbbhaladni. Ábrán. A 4. ábra három módon mutatja meg ezt a bomlást. Ez lehet három részecske (az úgynevezett nem resonáns születés) egyidejű kialakulása. Ez lehet a bomlás először ψ és a kaon K gerjesztett állapotához*amely azonnal π-be esne és K+. Előfordulhat, hogy egy bomlás, először egy új részecske és kaon, majd az új részecske felbomlik ψ 'és π. Ez az új részecske, amely a folyamat közbenső szakaszaiban jelenhet meg, Z (4430).

Ábra. 4. Három forgatókönyv a B meson bomlása egy hármas ψ'π-raK+: a bomlás egyszerre történhet, vagy kaszkád keletkezhet a köztes részecskék születésén és bomlásán keresztül

Az a tény, hogy Z (4430) ψ 'és π-re oszlik, azt jelenti, hogy egy töltött részecske. Az a tény, hogy nagyon gyorsan bomlik, azt jelenti, hogy a bomlás az erős kölcsönhatásnak köszönhető, de nem változtatja meg a quarkok típusát. Ezért, ha ebben a folyamatban egyéni kvarkokat követünk, akkor a kép úgy fog kinézni, mint a 6. ábrán látható. 5. Nyilvánvalóan azt mondja, hogy a Z (4430) nem illeszkedik a kvark-antiquark rendszerbe.

Ábra. 5. B-mezon bomlása a közbülső Z részecske (4430) között a kvarkok szintjén

Az új hadron Z (4430) felfedezéséhez a fizikusoknak "meg kell nézni" a B mezon bomlási folyamatát. Ez azonban nagyon nehéz. A B mezon egyes rögzített bomlása során lehetetlen meghatározni, hogy ezek közül melyik opció megvalósult. És ez nem a berendezések hibája, nem pedig az elemzési módszer hiányosságai; pontosan a kvantummechanika törvényéből eredő képtelenség. Mindössze annyit tehetünk, hogy meghatározzuk az opció relatív intenzitását az összegyűjtött események statisztikai elemzésével (ezt a nehézséget részletesebben az Egyetlen cikk cikkének anatómiájában adjuk meg).

Ehhez a fizikusok nem csak a három véges részecskét vizsgálják, hanem elemzik azokat páros korrelációk. Ellenőrzik, hogy vannak-e különlegességek az egyes parciális részek eloszlásánál az invariáns tömegek és szétszóródási szögek alapján. Például, ha a folyamat elsősorban a Z (4430) részecske miatt következik be, akkor a ψ'π párhoz az invariáns tömeg gráfja világos csúcsot kap, és más párkombinációkban semmi jelentőset nem talál.Ha az eljárás csak nem reszontán folytatódik (a 4. ábrán az első kép), akkor az invariáns tömegek összes eloszlása ​​majdnem egyenlő lesz. Mindez nem ellenőrizhető viszont, de ugyanakkor a Dalitz-diagram és a modern fajták használatával.

Z (4430): a felfedezéstől a legfrissebb eredményekig

Ami a kísérleti adatokat illeti, a Z-részecske (4430) meglehetősen hosszú kutatástörténettel rendelkezik. 2007-ben először bukkant fel egy "rezonánsszerű szerkezet", melynek tömege 4433 MeV volt, a Belle nemzetközi együttműködése a japán KEK gyorsítóközpontban (6. ábra). Pontosan ugyanazt a bomlást tanulmányozták, amely a 3. ábrán látható. 3. Már az első cikkben Belle nagy statisztikai jelentőséggel bír az új struktúrában – 6.3 σ. Ez több mint elég ahhoz, hogy bejelentse az új hatás felfedezését. De független a részecske, méghozzá távolról sem nyilvánvaló, és további munkát igényel.

Ábra. 6. A pár invariáns tömegének eloszlása ​​π+ és a "ψ" részecskék, amelyeket a Belle együttműködés 2007-ben nyert. Fő hisztogram a jelterületen adatokat jelenít meg, kék hisztogram – olyan oldalsó területen lévő adatok, ahol új rezonancia nem várható, a görbe a legjobb összehasonlítást mutatja az elméletben az új részecske létezésének feltevésénél (4,44 GeV közel magas csúcs). Kép a S.-K. Choi és mtsai. (Belle együttműködés), 2008. A Resonancelike Struktúra megfigyelése a π+−ψ\’ Tömegelosztás exkluzív módon B+−ψ\’ bomlások

Egy évvel később a "baráti versenytárs" Belle, az amerikai BaBar együttműködés, amely egy hasonló gyorsítóval működik. Ugyanezt a bomlást tanulmányozták, és az invariáns tömeg feletti eloszlásban is észleltek néhány jellemzőt. Azt azonban bebizonyították, hogy ezek a jellemzők tulajdoníthatók ismert rezonanciákat egy kaon és pion párban, különösen K * (892) és más hasonló részecskék (a 4. ábrán a középső kép). Így összehasonlítható adatokkal a következtetés ellentétes volt Belle következtetésével: az új Z-részecske (4430) létezésére még nincs megbízható bizonyíték. A Belle együttműködés nem támogatta ezt a pesszimista következtetést: a 2013-as cikk részletesebb elemzést nyújt, és nem csak megerősíti a korai eredményt, hanem jelentést tesz az új részecske spin és paritásának meghatározásáról. Így a helyzet eddig felfüggesztett maradt, mivel két egymással összehasonlítható kísérlet egymással szemben állt szemben ezzel a részecske vonatkozásában.

Ábra. 7. Az invariáns tömeg π eloszlása+ψ 'az LHCb szerint. Fekete pontok – kísérleti adatok görbék és sárga területeken – megpróbálja leírni (figyelembe véve a bizonytalanságokat) ezeket az adatokat csak ismert rezonancia segítségével. Kép a tárgyalt cikkből

Ez az, ahol az LHCb Collaboration mondta súlyos szó. Pontosan ugyanazt a bomlást tanulmányozta (3. De a nagy felhalmozott statisztikáknak köszönhetően minden hiba most kisebb, és az eloszlás profilja az invariáns tömeg fölött nagyon világos. Természetesen először is, az együttműködés, a BaBar nyomdokain követve, csak ismert részecskékkel próbálta leírni ezt a profilt. Az elemzésben nem csak a K * (892), hanem hat ugyanolyan típusú, még nehezebb ismert rezonancia volt benne – és nem tudott elfogadható megállapodást elérni (7. De ha új Z-részecske (4430) hipotézisét adjuk hozzá, akkor minden azonnal helyére kerül – a megállapodás megszűnik (8. ábra).

Ábra. 8. Ugyanaz az eloszlás, de figyelembe véve az új Z részecskét (4430) (piros hisztogram), amely tökéletesen összhangban van az adatokkal. Kép a tárgyalt cikkből

Így a munka első megkötése a következő: a rezonancia szerkezet valóságos, és egy új Z objektum bevezetését teszi szükségessé (4430).A rezonancia statisztikai jelentősége eléri a transzcendentális magasságot – legalább 13,9 σ vagy több, az elemzés részleteitől függően. És a BaBar együttműködés nem tette ezt a következtetést egyszerűen azért, mert nem volt elég mérési pontosságuk.

De ez az LHCb nem állt meg. Az új instabil részecske jellemző tulajdonsága nemcsak a folyamat erősítése (vagyis az eloszlási grafikon elárasztása), hanem az új részecske és a többi opció közötti nagyon különleges interferencia is. 4. Az előző cikkekben ilyen ellenőrzést nem végeztek el – ez az adat kevés. Most van elég statisztika. Az elemzést elvégeztük, meghatároztuk a rezonancia tartományban bekövetkező interferenciát, és kiderült, hogy ez a rezonancia az Argan-diagramon – pontosan ugyanúgy, mint egy valódi új részecske esetében – tisztán húzódik (lásd F. Nikitiu cikkében található magyarázatokat, A fázisban lévő rezonanciák meghatározására szolgáló módszerek Analízis / / ECHA 12, 805 (1981)].

Ez a második eredmény, még erősebb, mint az első, bizonyítja az új részecske valóságát és rezonáns jellegét. Általánosságban ez az első eset az egzotikus hadronok összes felvetett jelöltje között, akik számára ilyen elemzést végeztek az Argan diagram segítségével.Így már nincs kételye a "csillogóan egzotikus" részecske Z (4430) létezésének és valóságának.

Ezután a teoretikusoknak meg kell érteniük a készülék bonyolultságait. Tiszta tetraquark vagy inkább egy mezon molekula? Lehetőség lesz kiszámítani tömegét az első elvekből? És tényleg van-e kapcsolat a Z (4430) és az X (3872) részecskék között, amelyek mindegyike az egzotikus mezonok első csoportjává vált? Mindezeket a fizikusok vizsgálják az elkövetkező években. Időközben legalább egy teljesen és minden szabály szerint a mezon megerősített példája, amely garantáltan nem illeszkedik a minimális quark-antiquark rendszerbe.

Forrás: LHCb Együttműködés. A Z (4430) állapot rezonáns jellegének megfigyelése // e-print arXiv: 1404.1903 [hep-ex].

Lásd még:
1) S. Godfrey, S.L. Olsen. Az egzotikus XYZ Charmonium-szerű Mesons // Éves áttekintés a nukleáris és részecske tudományról 58, 51 (2008).
2) M. Nielsen, F. S. Navarra. Charged Exotic Charmonium States // e-print arXiv: 1401.2913 [hep-ph] – egy külön felülvizsgálat a töltött egzotikus hadronokról a charmi rendszerben.
3) Az LHCb együttműködés eredményei.
4) Feladat Az ilyen különböző tetrakvarki.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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