Кварки и элементарные частицы
29 Май 2020 16:49 #272
В ЦЕРН уточнили свойства загадочной частицы X(3872)
Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН и Новосибирский государственный университет, объявила о новых данных, полученных при анализе частицы X(3872). Она была обнаружена в 2003 году в эксперименте Belle (KEK, Исследовательская организация ускорителей высоких энергий, Япония), но до сих пор специалистам не удалось прийти к единому мнению о кварковой структуре этой частицы. Участникам эксперимента LHCb удалось с лучшей в мире точностью измерить ширину и массу X(3872), а также сделать некоторые предположения о ее природе. Эксперименты на детекторе КЕДР электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-4М ИЯФ СО РАН помогли специалистам CERN с высокой точностью измерить один из параметров X(3872). Результаты опубликованы на сайте CERN.
«Как правило, если какая-то частица открыта, то уже через пару лет у специалистов появляется понимание, что она из себя представляет. Исследование X(3872) уникально в том смысле, что на протяжении уже семнадцати лет с ее открытия у нас все еще нет представления о ее внутренней структуре, — рассказал сотрудник коллаборации LHCb, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова НИЦ «Курчатовский институт» (ИТЭФ) кандидат физико-математических наук Иван Михайлович Беляев. — Нам были известны лишь ее довольно необычные свойства. Во-первых, при большой массе X(3872) ее ширина настолько маленькая, что мы практически не видели ее, а, во-вторых, ее масса совпадает с суммой масс двух других частиц — D0 и D*0 (D-ноль-мезон и возбужденный D-ноль-мезон)».
«Гипотез о природе частицы X(3872) довольно много, но основных три, — рассказал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, участник коллаборации LHCb доктор физико-математических наук Семен Исаакович Эйдельман. — Например, гипотеза тетракварка предполагает, что частица состоит из с кварка и анти-c кварка, а также пары легких кварка и антикварка (u или d). Другая гипотеза описывает X(3872) как молекулу, то есть слабосвязанную пару очарованных мезон анти-мезонов (по аналогии с обычными молекулами). Третья гипотеза, которую выдвинул выдающийся российский и американский физик-теоретик Михаил Волошин (Университет Миннесоты), называется адрочармоний — состояние, в центре которого связанные c и анти-c кварки, а вокруг них облако легких пи-мезонов, то есть совокупность легкого адрона и чармония». Семен Эйдельман пояснил, что сегодня физическое сообщество склоняется к мнению, что X(3872) — это и обычное связанное состояние c кварка и анти-c кварка, и молекула одновременно. То есть хитрое гибридное состояние, в котором иногда проявляются молекулярные свойства, а иногда свойства c и анти-c кваркония.
Один из способов разобраться в том, является ли частица молекулой или нет — попытаться определить разницу между массой X(3872) и суммой масс D0 и D*0 мезонов и понять, положительная она или отрицательная.
«Мы измерили с высокой точностью (в 3—4 раза лучшей, чем предыдущие эксперименты) массу и впервые увидели, что частица X(3872) имеет конечную ширину, то есть ее ширина не ноль, как мы предполагали ранее, и вычислили разницу между массой X(3872) и суммой масс D0 и D*0 мезонов, — пояснил Иван Беляев. — Разница оказалась удивительно маленькой, меньше, чем погрешность измерения, так что мы пока не можем сказать положительная она или отрицательная. Но и это еще не все. Мы увидели, что ширина X(3872) значительно больше (почти в десять раз), чем рассчитанная разница между массами. Все это означает, что частица должна иметь нестандартную форму и описываться сложной функцией. Используя нетривиальный для области энергий эксперимента LHCb метод поиска полюсов комплексной амплитуды, нам удалось «пощупать» форму X(3872). С вероятностью в пределах двух сигм мы можем экспериментально сказать, что в этой частице есть большая компонента из связанных D0 и D*0 частиц, иными словами, есть основания полагать, что X(3872) в большей степени является молекулой. Это очень важный результат, в получение которого внесли весомый вклад физики из России и в частности из ИТЭФ».
Как пояснил заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе академик Александр Евгеньевич Бондарь, полученные результаты — важный шаг в исследовании этой частицы, но впереди еще много работы для полного понимания природы данного явления. «Так как масса X(3872) очень близка к порогу рождения пары частиц, на которые в основном идет распад, это неизбежно приводит к сильному искажению функции, описывающей вероятность распада частицы в зависимости от полной энергии продуктов распада. Именно поэтому нельзя только по одному распаду в J/y p+ p- (джи-пси пи+ пи-) однозначно определить ширину частицы. Требуется изучение и других каналов распада, чем мы сейчас и занимаемся. Три эксперимента могут помочь нам продвинуться в области исследований X(3872): эксперимент LHCb на Большом адронном коллайдере, BESIII в Пекине и Супер B фабрика в Японии», — рассказал Александр Бондарь.
При этом именно благодаря тому, что один из каналов распада X(3872) — это J/y p+ p-, специалистам LHCb удалось повысить точность эксперимента. Дело в том, что такой же канал распада есть у частицы y(2S) (пси(2S)) масса которой с лучшей в мире точностью измерена в ИЯФ СО РАН на детекторе КЕДР электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-4М. Она позволила откалибровать эксперимент LHCb с высокой точностью и минимизировать ошибку измерения. Если бы не было сверхточных измерений масс и ширин от эксперимента КЕДР, ошибка массы была бы примерно в два раза больше, а измерение ширины было бы практически невозможным.
По словам Семена Эйдельмана, сейчас на детекторе КЕДР идет анализ данных с целью измерения массы D+a и D0 с еще большей точностью, что поможет еще лучше понять природу X(3872).
X (3872) — субатомная частица, кандидат в экзотические мезоны с массой 3871,68 МэВ/с2 , которая не вписывается в кварковую модель из-за необычных значений её квантовых чисел. Впервые была обнаружена в 2003 году в результате эксперимента Belle в Японии, а затем подтверждена рядом других экспериментальных коллабораций. Было предложено несколько объяснений её природы таких как мезонная молекула или пара дикварк-антидикварк (тетракварк).
Квантовые числа X (3872) были определены экспериментом LHCb в ЦЕРН в марте 2013 года.
Мезонная молекула (англ. mesonic molecule) — гипотетическая молекула, состоящая из двух или более мезонов, связанных вместе сильным взаимодействием. В отличие от барионных молекул, которые формируют атомные ядра всех химических элементов в природе, кроме водорода-1, мезонная молекула всё ещё окончательно не зарегистрирована в эксперименте. Частицы X(3872) (обнаружена в 2003 году) и Z(4430) (обнаружена в 2007 году в эксперименте Belle), являются лучшими кандидатами на подтверждение открытия, хотя последняя может быть и тетракварком
Ученые из коллаборации LHCb сообщили, что они впервые зафиксировали в эксперименте на Большем адронном коллайдере экзотическую частицу, состоящую из четырех кварков. Результаты опубликованы в журнале Science Bulletin.
"Очень интересно увидеть первое экспериментальное свидетельство очарованного тетракварка. Уникальный состав нового состояния делает его идеальной моделью для понимания сильного взаимодействия внутри адронов", — приводятся в пресс-релизе издательства слова одного из участников эксперимента физика Люпань Ань (Liupan An), работающего в Национальном институте ядерной физики в Италии.
Природа наблюдаемого тетракваркового состояний еще не определена...
Кварки и элементарные частицы
12 Нояб 2020 16:15 #274
странно, что "впервые". об открытии тетракварков и даже пентакварков я читал, помнится, лет пять назад. их еще на тэватроне засекли и говорили, что сотни гэв достаточно для этого. а тут тера какие то. может какой то новый вид тетракварка или более точный экперимент и более веские доказательства, не знаю, не спец, но сам факт возможности и обнаружения такой частицы вроде давно устоявшийся уже. тем более, что сам гелл-манн про них уже тогда, в 60-е говорил, как о возможных.
зы. почитал - похоже, суть новизны именно в очарованных кварках в составе тетракварка, а не просто кварках.
Ученые утверждают, что, возможно, обнаружили новую, пятую силу природы, которая может объяснить давние научные загадки и улучшить понимание Вселенной.
Группа ученых из 46 научных центров и семи стран обнародовала первые результаты экспериментов с мюонами - фундаментальными частицами, представляющими собой крошечные вращающиеся вокруг собственной оси магниты. Мюоны похожи на электроны, только в 200 раз тяжелее.
Проведенное исследование Muon g-2 (Мюон джи минус 2) - это продолжение работы, которую ученые начали в 1990-х годах в Брукхейвенской национальной лаборатории. Тогда физики занимались измерением магнитного свойства мюонов и получили результат, который не вписывался в Стандартную модель.
Стандартная модель получает очень хорошее экспериментальное подтверждение, и относительно недавнее открытие бозона Хиггса завершило эту целостную картину.
Однако это вовсе не окончательная теория. Об этом говорит, например, наличие во Вселенной темной материи или антиматерии, которая не укладывается в Стандартную модель. И сейчас ученые подходят к так называемой Новой физике.
Стандартная модель точно предсказывала так называемый g-фактор мюона - показатель силы и скорости вращения частицы в магнитном поле. Данный фактор близок к значению 2, но Брукхейвенские эксперименты выявили отклонение в несколько частей на миллион.
Несмотря на минимальную разницу, ученые заявили о существовании неизвестных ранее науке взаимодействий между мюоном и магнитным полем.
Британский Совет по научно-техническому оборудованию уже объявил, что результаты экспериментов дают весомые подтверждения существованию доселе неизвестной субатомной частицы или новой силы.
"Мы обнаружили, что взаимодействие мюонов не согласуется со Стандартной моделью. Понятно, что мы все в восторге, потому что это открывает будущее с новыми законами физики, новыми частицами и новыми, невиданными до сих пор силами", - цитирует BBC News руководителя эксперимента с британской стороны профессора Марка Ланкастера.
Насчет возможной, но неоткрытой субатомной частицы есть сразу несколько предположений. Это может быть так называемый лептокварк (частица, переносящая информацию между кварками и лептонами) или Z-бозон (который сам для себя служит античастицей).
Китайская обсерватория LHAASO зарегистрировала 530 фотонов с энергией между 0,1 и 1,4 петаэлектронвольта от 12 источников в пределах Млечного пути. Это подтверждает существование галактических певатронов — космических ускорителей в нашей Галактике, которые разгоняют частицы до энергий порядка петаэлектронвольта и опровергают традиционное понимание Млечного Пути.
Кварки и элементарные частицы
29 Июль 2021 16:02 #277
товарищи, то, о чем так долго говорил революционер гелл-манн, свершилось!
На эксперименте LHCb Большого адронного коллайдера обнаружили новую частицу — тетракварк Tcc+, который состоит из двух очарованных кварков и двух легких антикварков — верхнего и нижнего. Это первая надежно открытая частица такого типа, в составе которой имеется два очарованных кварка вместо пары кварк-антикварк, и наиболее стабильный из найденных экзотических адронов.
Тетракварк Tcс+ является единственной известной науке частицей, состоящей из четырех кварков, два из которых — очарованные (с-кварки), при этом очарованные антикварки отсутствуют.[/quote]
Ученые, работающие на детекторе STAR в Брукхейвенской национальной лаборатории в США, сообщили о том, что им удалось получить убедительные доказательства двух физических явлений, предсказанных более 80 лет назад, — образование вещества непосредственно из света и того, что магнетизм может изгибать поляризованные фотоны в вакууме. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Эксперимент по рассеянию нейтронов на кристалле кремния позволил одновременно определить динамические параметры кристаллической решетки, измерить среднеквадратичный зарядовый размер нейтрона и наложить ограничения на существование гипотетической пятой силы.
Кварки и элементарные частицы
14 Окт 2021 11:43 #285
Физики ННЦ Лос-Аламоса США провели самые точные измерения продолжительности жизни нейтрона
Ученым удалось с точностью до десятых долей секунды определить, сколько времени нейтрон может прожить вне ядра атома, прежде чем распадется на протон.
Это самое точное измерение времени жизни этих элементарных частиц. Погрешность составляет менее 0,1%, что более чем в два раза превышает точность предыдущих измерений.
“Явление, при котором нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино, является одним из самых захватывающих процессов, известных физикам”, — рассказывает руководитель исследования Даниэль Сальват. Кроме того, он также отмечает, что сегодня очень важно измерить, как долго свободный нейтрон может жить вне атомных ядер, потому что полученная информация может помочь выяснить, как развивалась Вселенная через несколько минут после Большого взрыва.
Исследование было проведено в Национальном научном центре Лос-Аламоса (ННЦ). В проведенном эксперименте учеными были использованы ультрахолодные нейтроны, температура которых была снижена почти до абсолютного нуля. Их поместили внутрь чашеобразной камеры – магнитно-гравитационной ловушки, покрытой примерно 4 000 магнитов в вакууме. Магнитное поле предотвращает деполяризацию нейтронов и, в сочетании с гравитацией, не дает нейтронам вырваться наружу. В данной конструкции нейтроны можно хранить до 11 дней.
Установлено: время жизни нейтрона составляет 877,75 ± 0,28 секунды (14 минут 38 секунд).
Кварки и элементарные частицы
15 Окт 2021 17:09 #286
С удовольствием прочитал ваше сообщение и, заглянув по ссылке ВОТ ЭТО:
Особенно драматична ситуация, когда с течением времени погрешности каждого отдельного эксперимента уменьшаются, но различие между ними остается. В этом случае расхождение между ними, выраженное в единицах сигма, растет со временем.
Есть несколько примеров такой ситуации в современной физике. Видимо, самая впечатляющая — это гравитационная постоянная, где нестыковка между четырьмя точными измерениями уже превышает 10 сигм; см. подробности в новости Новые измерения гравитационной постоянной еще сильнее запутывают ситуацию, «Элементы», 13.09.2013. Другой пример — недавние измерения новым методом зарядового радиуса протона с результатом, отличающимся от общепринятого значения на 7 сигм. Еще одна «проблемная величина» — это время жизни нейтрона, где бурные изменения произошли в последние несколько лет. И вот сейчас, когда казалось уже, что ситуация успокоилась, в журнале Physical Review Letters вышла статья, подливающая масла в огонь.
Как не атомщик или ядерщик вставлю свой пятак я так:
а если предположить что Особенно драматична ситуация является природной подсказкой именно для раскрытия "секрета" (исходя из различия методов, в свете вышеупомянутого: ловушки, пучки, температура и т.п. )
З павагай да неабыякавых
В рамках экспериментов в Большом адронном коллайдере ученые впервые обнаружили загадочную частицу, которая существовала сразу после Большого Взрыва. Об этом пишет Science Alert.
Данную частицу зафиксировали в кварк-глюонной плазме и выделили 100 экзотических пылинок под названием Х-частицы.
Физики утверждают, что данное открытие может изменить представление науки о произведении материи Вселенной, которая в первые секунды своего существования была прогрета до триллионов градусов плазмой, состоящей из элементарных частиц. А именно - кварков и глюонов.
Когда плазма остыла, частицы объединились и таким образом сформировали протоны и нейтроны, из которых на сегодняшний день состоит материя.
Но некоторые частицы кварк-глюонной плазмы столкнулись, создав при этом загадочную частицу X.
Уже в конце 1940-х годов появились ядерные реакторы, в достаточном количестве порождавшие свободные нейтроны. Оказалось, что нейтрон (который немного тяжелее протона) в атоме остается стабилен в течение неограниченного времени, а вот вне атома распадается на протон, электрон и антинейтрино, разлетающиеся в разные стороны. Период полураспада свободных нейтронов составляет около 613,9 секунд. Данный процесс был предсказан Фредериком Жолио-Кюри в 1934 году, а экспериментально подтвержден в 1948-1950 годах А. Снеллом, Дж. Робсоном и П. Е. Спиваком. Свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, то есть, строго говоря, является самым доступным и предсказуемым известным источником антивещества – пусть и этого антивещества от него ничтожно мало. Именно эти свойства нейтрона позволяют соотнести его с «нейтронием» - легчайшим газом, который Менделеев планировал расположить где-то на самой вершине своей таблицы.
Свободный протон, в отличие от свободного нейтрона – совершенно обычная частица, встречается во Вселенной повсюду. Большая часть обычной (нетемной) материи в галактиках и вне них состоит из плазмы водорода – ионизированного газа, состоящего из голых протонов и отделившихся от них электронов. Если бы протоны были нестабильны, подобно нейтронам, то вся плазма быстро бы исчезла.
Но этого не наблюдается. Протоны, как в составе атомов, так и в свободном виде, совершенно стабильны. До сих пор не зафиксировано ни одного самопроизвольного распада протона. При этом известно, что протон может расщепляться под действием космических лучей. Именно поэтому распад протона невозможно достоверно изучать на поверхности Земли или в атмосфере – события распада мы зафиксируем, но они будут спровоцированы. Для таких экспериментов нужны детекторы, расположенные глубоко под землей, и об этом мы также поговорим ниже. .........
Физики обнаружили новое экзотическое состояние вещества, которое принимает форму высокоупорядоченного кристалла из субатомных частиц. Новое состояние вещества, называемое «бозонно-коррелированный изолятор», может привести к открытию многих новых типов экзотических материалов, изготовленных из конденсированного вещества, согласно исследованию в журнале Science.
Субатомные частицы можно разделить на две категории: фермионы и бозоны. Основные различия между ними заключаются в том, как они вращаются и как взаимодействуют друг с другом.
Фермионы, такие как электроны и протоны, часто рассматриваются как строительные блоки вещества, потому что они составляют атомы и характеризуются полуцелым спином. Два идентичных фермиона не могут занимать одно и то же пространство одновременно.
С другой стороны, бозоны переносят силу — такую как фотоны или пакеты света — и считаются клеем Вселенной, связывающим воедино фундаментальные силы природы. Эти частицы имеют целочисленные спины, и несколько бозонов могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время.
Но есть случай, когда два фермиона могут стать бозоном: если отрицательно заряженный электрон прикреплен к положительно заряженной «дырке», например, в полупроводнике, он «образует» бозонную частицу, известную как «экситон».
Чтобы увидеть, как экситоны взаимодействуют друг с другом, исследователи наложили решетку дисульфида вольфрама поверх аналогичной решетки диселенида вольфрама в виде перекрывающегося рисунка, называемого муаром.
Затем они направили сильный луч света через решетки — метод, известный как «спектроскопия с накачкой зондом». Эти условия сталкивали экситоны друг с другом до тех пор, пока они не стали настолько плотно упакованными, что больше не могли двигаться, создавая новое симметричное кристаллическое состояние с нейтральным зарядом — бозонный коррелированный изолятор.
Группа исследователей Иллинойского университета Урбана-Шампейн, обнаружила безмассовую нейтральную частицу, так называемого «демона Пайнса». Частица была описана 67 лет, но обнаружить ее не удавалось. Исследователи использовали нестандартную экспериментальную методику, что позволило им увидеть сигнатуру демона в металлическом рутенате стронция (Sr2RuO4).
В 1956 году физик-теоретик Дэвид Пайнс предсказал, что электроны в твердом теле могут получить странные свойства. Хотя обычно они имеют и массу и электрический заряд, Пайнс утверждал, что электроны могут объединяться в составную частицу, которая является безмассовой, нейтральной и не взаимодействует со светом. Он назвал эту частицу «демоном». С тех пор предполагается, что «демон» играет важную роль в поведении самых разных металлов. К сожалению, те же свойства, которые делают «демона» таким интересным, делают почти невозможным его наблюдение — он практически не взаимодействует со средой.
Полная номенклатура элементарных частиц, чьи свойства и взаимодействия описывает Стандартная модель (ее часто называют зоопарком частиц СМ). Слева расположены электрически заряженные и нейтральные частицы со спином 12, то есть фермионы. Это три поколения кварков (слева вверху) и три поколения лептонов (слева внизу). В состав первого поколения частиц входят два самых легких кварка, u-кварк и d-кварк, из которых сложены протоны и нейтроны, а также электрон и электронное нейтрино. Второе поколение состоит из двух кварков промежуточной массы, обозначенных символами c и s, мюона и мюонного нейтрино. Третье поколение представлено самыми массивными кварками t и b, тау-частицей и тау-нейтрино. Все кварки верхнего ряда несут положительный заряд, который равен двум третям абсолютной величины заряда электрона. Кварки нижнего ряда заряжены отрицательно, и их заряды равны одной трети электронного заряда. Каждая из этих двенадцати частиц обладает не представленным на схеме партнером в лице своей античастицы, имеющей ту же массу и спин. Античастицы заряженных частиц несут такие же по абсолютной величине электрические заряды противоположного знака, в то время как нейтрино и антинейтрино электрически нейтральны. Кроме того, каждый кварк характеризуется еще одним квантовым числом, которое по традиции называется цветом и имеет три значения — красный, зеленый и синий (или антикрасный, антизеленый и антисиний у антикварков). Эти числа именуют цветовыми зарядами, а силовые связи между кварками — цветным взаимодействием. В правой части представлена схема частиц, которые служат медиаторами трех фундаментальных взаимодействий — сильного, слабого и электромагнитного. Все они имеют единичный спин и потому относятся к группе векторных бозонов. На вертикали креста расположены массивные заряженные бозоны W+ и W− и их нейтральный аналог Z0, которые служат переносчиками слабого взаимодействия между кварками и лептонами. Символом γ обозначен фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия между электрически заряженными частицами. Символом g обозначено семейство из восьми глюонов, которые задействованы в переносе цветного взаимодействия между кварками (точнее, между их цветовыми зарядами). Как фотон, так и глюоны являются истинно безмассовыми частицами, но, в отличие от фотона, глюоны сами несут цветовые заряды и антизаряды в разных комбинациях (конкретно, шесть глюонов «окрашены», а два — бесцветны) и потому взаимодействуют не только с кварками, но и друг с другом. Наконец, в центр схемы поставлен электрически нейтральный бозон Хиггса, чья масса приблизительно равна 125 ГэВ, а спин равен нулю.
Стандартная модель элементарных частиц, великолепное творение Марри Гелл-Мана, Шелдона Глэшоу, Стивена Вайнберга, Абдуса Салама и целой плеяды других блестящих ученых, имеет свою область применимости, очерченную определенными границами. СМ прекрасно описывает взаимодействия между кварками и лептонами на дистанциях порядка 10−17 метра (1% диаметра протона), которые можно изучать на современных ускорителях. Однако она буксует уже на расстояниях в 10−18 метра и тем более не обеспечивает продвижения к планковскому масштабу, величине размерности длины, которую можно скомпоновать из трех фундаментальных констант нашего мира — постоянной тяготения, скорости света и постоянной Планка. Ее численное значение равно приблизительно 1,6162×10−35 метра. Считается, что именно на этом пространственном масштабе все фундаментальные взаимодействия, включая гравитацию, сливаются в квантовом единстве.
В Институте физики высоких энергий Академии наук КНР уже обсуждается возможнось последующей реконструкции электрон-позитронного суперколлайдера в протон-протонный с суммарной энергией в системе центра масс порядка 100 ТэВ — в семь с лишним раз больше, чем у БАК в его нынешней модификации. В России также существуют планы постройки мощного электрон-позитронного коллайдера в Новосибирске на базе Института ядерной физики имени Г. И. Будкера.
