Επαναστατική ανακάλυψη: Ερευνητές βρίσκουν τοπωνίου στον LHC!

Επαναστατική ανακάλυψη: Ερευνητές βρίσκουν τοπωνίου στον LHC!

Ερευνητές του Πανεπιστήμιο του Αμβούργου και η DESY έχουν κάνει πρωτοποριακές προόδους στη σωματιδιακή φυσική βρίσκοντας στοιχεία για το σωματίδιο τοπωνίου. Το τοπόνιο προκύπτει από μια δεσμευμένη κατάσταση μεταξύ ενός κουάρκ κορυφής και του αντισωματιδίου του, του κουάρκ αντι-κορυφής. Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να προσφέρει κρίσιμες νέες γνώσεις για τη θεμελιώδη δομή όλης της ύλης.

Η πρόοδος κατέστη δυνατή με σήματα που ελήφθησαν σε δύο πειράματα Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) του CERN εντοπίστηκαν. Το κορυφαίο κουάρκ, το βαρύτερο γνωστό στοιχειώδες σωματίδιο, διασπάται σε λιγότερο από ένα τεταρτοεκατοστό του δευτερολέπτου, υπογραμμίζοντας αυτό που θεωρήθηκε μια εξαιρετικά προκλητική υπόθεση για την παρατήρηση δεσμευμένων καταστάσεων. Μέχρι τώρα, η άποψη ήταν ότι μια τέτοια κατάσταση δεν μπορούσε να ανιχνευθεί με το αντισωματίδιο, αλλά νέα δεδομένα κλονίζουν αυτή την άποψη.

Ανακάλυψη σε πειράματα

Η ανακάλυψη του τοπονίου έγινε ανεξάρτητα στα πειράματα CMS και ATLAS στο LHC. Σύμφωνα με τους ερευνητές, μετρήθηκε μεγαλύτερη ποσότητα κορυφαίων κουάρκ με χαμηλή κινητική ενέργεια, γεγονός που επιτρέπει το σχηματισμό τοπωνίου. Οι πρώτες ενδείξεις τοπωνίου υπήρχαν ήδη στο πείραμα CMS το 2016, το οποίο ενισχύθηκε με πρόσθετα δεδομένα από το 2017 και το 2018. Η ATLAS μπόρεσε να επιβεβαιώσει τη σύνδεση χρησιμοποιώντας τα δικά της δεδομένα, γεγονός που υπογραμμίζει περαιτέρω τη συνάφεια των αποτελεσμάτων.

Ο Laurids Jeppe, διδακτορικός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Αμβούργου, τονίζει ότι η ακρίβεια που επιτυγχάνεται κατά τη μέτρηση σπάνιων διεργασιών είναι αξιοσημείωτη. Τα αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν πραγματοποιήθηκαν στο Συνέδριο Φυσικής Υψηλής Ενέργειας της Ευρωπαϊκής Εταιρείας Φυσικής.

Επιπλέον, οι αναλύσεις του πειράματος CMS αποκαλύπτουν μια απροσδόκητη ιδιότητα στη συμπεριφορά των κορυφαίων κουάρκ. Αυτή η παρατήρηση υποδηλώνει ότι τα κορυφαία κουάρκ σχηματίζουν για λίγο μια «οιονεί δεσμευμένη κατάσταση» με τα αντισωματίδια τους, που ονομάζονται τοπωνίου. Αυτή η ανακάλυψη όχι μόνο προκαλεί έκπληξη, αλλά θα μπορούσε επίσης να προμηνύει νέα σωματίδια που δοκιμάζουν τα όρια του τρέχοντος Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής.

Οι μετρήσεις και η σημασία τους

Το πείραμα CMS βρήκε ότι η διατομή παραγωγής για την περίσσεια των ζευγών κορυφαίων κουάρκ-αντικουάρκ ήταν 8,8 picobarns (pb), με αβεβαιότητα 1,3 pb, επιτυγχάνοντας ένα επίπεδο εμπιστοσύνης «πέντε σίγμα». Η συνεργασία ATLAS διαπίστωσε ότι τα ίδια αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν στα συνολικά δεδομένα του LHC Run-2, μετρώντας τη διατομή παραγωγής σε 9,0±1,3 pb και αποκλείοντας σημαντικά μοντέλα που αγνοούν τον σχηματισμό μιας οιονεί δεσμευμένης κατάστασης.

Ένα εναλλακτικό επεξηγηματικό μοντέλο θα μπορούσε να περιλαμβάνει την ύπαρξη ενός νέου σωματιδίου με μάζα κοντά στο διπλάσιο της μάζας του κορυφαίου κουάρκ. Ωστόσο, για την οριστική ερμηνεία των φαινομένων, απαιτείται ακριβής μοντελοποίηση της συμπεριφοράς των κουάρκ και των γκλουονίων σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας.

Η ανακάλυψη του Τοπονίου όχι μόνο θα διεύρυνε την κατανόηση του Quarkonia, αλλά θα κατευθύνει επίσης το ερευνητικό τοπίο σε νέους τρόπους μελέτης της ισχυρής αλληλεπίδρασης. Αυτοί οι σχηματισμοί βαρέων ζευγών κουάρκ-αντικουάρκ αντιπροσωπεύουν ήδη τις προηγούμενες ανακαλύψεις του χαρμονιανού και του βυθόνου στη δεκαετία του 1970 και η τρέχουσα τρίτη φάση του LHC αναμένεται να παρέχει πρόσθετα δεδομένα για την περαιτέρω διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων κορυφαίων κουάρκ-αντικουάρκ.