Po 48 latach poszukiwań fizycy odkryli niezwykle rzadką cząstkę „potrójną kulę gluonową”

Nigdy wcześniej nie widziana cząstka ujawniła się w gorących wnętrznościach dwóch zderzaczy cząstek, potwierdzając półwieczną teorię.

Naukowcy przewidzieli istnienie tej cząstki, znanej jako odderon, w 1973 roku, opisując ją jako rzadkie, krótkotrwałe połączenie trzech mniejszych cząstek, znanych jako gluony. Od tego czasu naukowcy podejrzewali, że odderon może powstać, gdy protony zderzają się ze sobą z ekstremalną prędkością, ale dokładne warunki, które mogłyby spowodować jego powstanie, pozostawały tajemnicą. Teraz, po porównaniu danych z Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), 17-milowego (27 km) pierścieniowego rozbijacza atomów niedaleko Genewy, który zasłynął z odkrycia bozonu Higgsa, oraz z amerykańskiego zderzacza  w Illinois – Tevatronu, nieistniejącego już urządzenia o długości 3,9 mil (6,3 km), który do 2011 roku przyśpieszał protony i antyprotony, naukowcy donoszą o niezbitych dowodach na istnienie odderona.

Znalezienie odderonu

Oto jak go znaleźli: Po tych zderzeniach cząstek naukowcy obserwowali, co się stało. Wysunęli teorię, że odderony pojawiają się w zderzeniach – z nieco inną szybkością – proton-proton i proton-antyproton. Różnica ta ujawniłaby się w niewielkiej dysproporcji pomiędzy częstotliwościami protonów odbijających się od innych protonów a częstotliwościami protonów odbijających się od antyprotonów.

Zderzenia w LHC i Tevatronie miały miejsce na różnych poziomach energetycznych. Ale badacze stojący za tym nowym opracowaniem stworzyli matematyczne podejście do porównywania swoich danych. W ten sposób powstał wykres, który nazwano “money plot”:

Wykres przedstawia dwie podobne linie, które nie idą dokładnie tą samą ścieżką. Różnica między tymi dwiema liniami wynika z istnienia odderonu.(Zdjęcie: dzięki uprzejmości The University of Kansas)

Niebieska linia, reprezentująca zderzenia proton-antyproton, nie pokrywa się idealnie z czerwoną linią, która reprezentuje zderzenia proton-proton. Ta różnica jest znakiem rozpoznawczym odderonu – wykazanego ze znamiennością statystyczną 5 sigma, co oznacza, że szanse na to, że taki efekt pojawi się losowo bez udziału odderonów, wynosiłyby 1 na 3,5 miliona.

Dlaczego zderzenia protonów tworzą odderony

Więc, czym są odderony? Zasadniczo są one rzadką kombinacją trzech “lepkich” cząstek zwanych gluonami.

Protony nie są fundamentalnymi, niepodzielnymi cząstkami. Są one raczej zbudowane z trzech kwarków i wielu gluonów. Kwarki to najcięższe cząstki świata subatomowego, stosunkowo nieporęczne i odpowiedzialne za masę protonów i neutronów (a więc za większość masy atomów) oraz ładunek elektromagnetyczny. Ale gluony odgrywają równie ważną rolę: przenoszą oddziaływanie silne, jedno z czterech podstawowych oddziaływań wszechświata, odpowiedzialnego za “sklejanie” kwarków w protony i neutrony, a następnie wiązanie tych protonów i neutronów wewnątrz jąder atomowych.

Kiedy protony zderzają się przy bardzo wysokich energiach w zderzaczach cząstek, takich jak LHC, rozpadają się na kawałki w około 75% przypadków. Przez pozostałe 25% czasu, odbijają się od siebie jak kule bilardowe na stole bilardowym. W tym przypadku – proces zwany rozpraszaniem sprężystym [ang. elastic scattering] – protony przeżywają spotkanie. Fizycy uważają, że jest to możliwe, ponieważ protony wymieniają między sobą dwa lub trzy gluony. W krótkim punkcie styku, ten zestaw gluonów przemieszcza się z wnętrza jednego protonu do wnętrza drugiego.

„W fizyce wysokich energii zawsze wymieniamy jakieś cząstki, gdy dwa protony wchodzą w interakcję lub proton i antyproton”, powiedział dla Live Science główny autor badania Christophe Royon, fizyk z University of Kansas. „W większości przypadków będzie to jeden gluon”.

Ważne jest, że zarówno w zderzeniach proton-proton, jak i proton-antyproton dochodzi do wymiany cząstek, ponieważ to właśnie w subtelnej różnicy między tymi dwoma rodzajami wymiany ujawnił się odderon.

Czasami podczas zderzenia pojawia się quasi stan zwany kulą gluonową [ang. glueball] – para lub trio gluonów. Naukowcy potwierdzili już istnienie podwójnej kuli gluonowej, ale po raz pierwszy zaobserwowali potrójną kule gluonową zwaną odderonem, którą przewidziano w 1973 roku.

Te kule gluonowe utrzymują protony w stanie nienaruszonym dzięki właściwościom zwanym kolorem. Kolory (i antykolory) są podobne do dodatnich i ujemnych ładunków elektromagnetycznych – kontrolują to, jak kwarki i gluony przyciągają się lub odpychają od siebie w systemie znacznie bardziej skomplikowanym niż elektromagnetyzm, znanym jako chromodynamika kwantowa [ang. quantum chromodynamics]. Kwarki i gluony mogą mieć jeden z trzech ładunków sklasyfikowanych jako czerwony, zielony lub niebieski. A połączenie czerwieni, zieleni i błękitu uważa się za “białe”, a więc zrównoważone.

Tymczasem antykwarki mają antykolory – antyczerwony, antyzielony i antyniebieski – które dezaktualizują swoje kolorowe odpowiedniki, tworząc stabilny, zrównoważony biały ładunek. A gluony mają zarówno kolory, jak i antykolory.

Ale poszczególne gluony są zawsze niestabilną mieszaniną koloru i antykoloru: niebieski i antyzielony, albo czerwony i antyniebieski, itd. Każdy gluon ma swój kolor i antykolor. A [te gluony] nie lubią być same” – mówi Royon.

Kiedy pojedynczy gluon wchodzi do nowego protonu, chwyta inne cząstki — kwarki i gluony, które tworzą proton. Pojedynczy gluon stara się łączyć z cząstkami, które równoważą jego kolor i antykolor. Ale kolory wewnątrz protonu są już w równowadze, a wejście obcego, niestabilnego gluonu zakłóca wewnętrzną równowagę protonu, wywołując kaskadę zdarzeń, które rozdzierają cząstkę. Tak dzieje się w 75% zderzeń, kiedy protony się rozpadają.

Ale w jednej czwartej przypadków, gdy protony odbijają się od siebie zamiast się rozpadać, jest to znak, że wymiana gluonów dotyczyła podwójnego lub potrójnego gluonu (odderon) a więc nie zakłóca wewnętrznej równowagi protonów. Podwójne kule gluonów mają własną wewnętrzną równowagę. Ich ładunki koloru i antykoloru są do siebie dopasowane i łatwo prześlizgują się z jednego protonu na drugi, nie rozrywając ich. W 1973 r. naukowcy wykazali, że trzy gluony powinny teoretycznie być w stanie utworzyć potrójną kulę gluonową, w której kolory czerwony, zielony i niebieski równoważą się nawzajem. Nazwali tę cząstkę odderonem.

Wymiana gluonu i multigluonu zachodzi przez najkrótsze chwile przy najbardziej ekstremalnych energiach. Do tej pory nikt nigdy nie widział ani bezpośrednio nie wykrył odderona (lub podwójnej kuli gluonowej, chociaż jej istnienie zostało pośrednio potwierdzone).

Wykrycie odderonu nie zmieni oblicza fizyki, jak napisał astrofizyk z SUNY Stony Brook Paul Sutter w artykule dla Live Science w 2019 roku, kiedy badacze po raz pierwszy zauważyli możliwe dowody na istnienie cząstki. Sutter i wielu innych badaczy twierdzą, że nie jest to prawdziwa cząstka, ale quasi cząstka, ponieważ jest niczym więcej niż tymczasowym układem mniejszych cząstek. (To samo można jednak powiedzieć o protonach i neutronach). Royon powiedział, że odkrycie jest ważne, ponieważ potwierdza, że ​​podstawowe poglądy na temat fizyki cząstek elementarnych użyte do przewidywania istnienia odderonu w 1973 roku były poprawne.

Źródło: Rafi Letzter

THIRD OF ANTARCTIC ICE SHELF AREA AT RISK OF COLLAPSE AS PLANET WARMS

Surface melt and runoff on Antarctic ice shelves at 1.5°C, 2°C and 4°C of future warming

Zdjęcie:  CERN

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
2 komentarzy
Oldest
Newest Most Voted
Inline Feedbacks
View all comments
Anatol
Anatol
27 dni temu

Kto to k…. tłumaczył? Może skorzystajcie z usług dziennikarzy….

2
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x