Их выводы основаны на данных Большого адронного коллайдера (LHC), самого большого и мощного ускорителя элементарных частиц в мире, расположенного в научной лаборатории CERN в Женеве, Швейцария.Профессор Томаш Скварницкий и доктор философии.
Студент Томас Бриттон G’16, оба члена Экспериментальной группы физики высоких энергий в Сиракузах и коллаборации Большого адронного коллайдера красоты (LHCb) в ЦЕРН, подтвердили существование кандидата в тетракварк, известного как X (4140). Они также обнаружили три других экзотических частицы с более высокими массами, названные X (4274), X (4500) и X (4700).Все четыре частицы были предметом докторской диссертации Бриттона. диссертацию, которую он защитил в мае, а затем представил от имени коллаборации LHCb в качестве журнальной статьи для Physical Review Letters (American Physical Society, 2016).
Тетракварк — это частица, состоящая из четырех кварков: двух кварков и двух антикварков.Тетракварки — и, в более широком смысле, пентакварки, содержащие пять кварков — считаются экзотическими, потому что у них больше, чем обычно, два или три кварка.«Несмотря на то, что все четыре частицы содержат один и тот же кварковый состав, каждая из них имеет уникальную внутреннюю структуру, массу и набор квантовых чисел», — говорит Скварницки, который в апреле 2014 года подтвердил существование первого в мире кандидата в заряженный тетракварк, названного Z (4430) +. Годом ранее он вместе с доктором философии. студент Бин Гуи G’14 определил квантовые числа первого кандидата в нейтральный тяжелый тетракварк, X (3872).
Квантовые числа описывают субатомные свойства каждой частицы.Скварницки говорит, что измерение всех четырех частиц на сегодняшний день является крупнейшим в своем роде.
В отличие от других кандидатов в экзотические частицы, его частицы и частицы Бриттона не содержат обычной ядерной материи (то есть кварков, обнаруженных в протонах и нейтронах).«Мы никогда раньше не видели ничего подобного. Это помогает нам различать различные теоретические модели частиц», — говорит Скварницки.
Член Американского физического общества, Скварницки является давним членом коллаборации LHCb, в которую входят около 800 других ученых из 16 стран. Их цель — открыть все формы материи в надежде объяснить, почему Вселенная состоит из нее, а не антиматерии.Работа Скварницкого сосредоточена на кварках — фундаментальных составляющих вещества, которые служат своего рода каркасом для протонов и нейтронов.
В то время как большинство частиц имеют два или три кварка, Скварницки и другие в последнее десятилетие наблюдали кварки с четырьмя или пятью.Прошлым летом он и докторант Натан Джурик G’16 объединились с заслуженным профессором Шелдоном Стоуном и Лиминг Чжан, профессором Университета Цинхуа в Пекине, чтобы объявить об открытии двух редких состояний пентакварка. Эта новость попала в заголовки газет, сделав Сиракузы и ЦЕРН центром международного внимания.Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, существует шесть видов кварков, чьи внутренние свойства заставляют их группироваться в пары с необычными именами: вверх / вниз, очарование / странное и верх / низ.
Частицы, которые изучают Скварницки и Бриттон, имеют два очаровательных кварка и два странных кварка. Очаровательные и странные кварки являются третьим и четвертым по величине кварками среди всех кварков.Примечательно, что все четыре кварка в новом семействе «тяжелые».
«Чем тяжелее кварк, тем меньше соответствующая ему частица», — говорит Скварницки, добавляя, что названия частиц отражают их массы. «Имена обозначаются мегаэлектронвольтами [МэВ], относящимися к количеству энергии, которое электрон приобретает после ускорения электрическим током. … Эта информация, наряду с квантовыми числами каждой частицы, расширяет наше понимание формирование частиц и фундаментальных структур материи ».Доказательства X (4140) впервые появились в 2009 году в Национальной ускорительной лаборатории Ферми, недалеко от Чикаго, но это наблюдение было подтверждено только через три года в ЦЕРНе.
Визуализация огромного детектора LHCb, который регистрирует примерно 10 миллионов столкновений протонов в секунду. Ученые изучают обломки этих столкновений, чтобы лучше понять строительные блоки материи и силы, контролирующие их. Чрезвычайно редкий и в четыре раза тяжелее протона, X (4140) был первоначально обнаружен только 20 раз из миллиардов столкновений энергии, вызванных человеком.
LHCb уникально подходит для изучения таких частиц и, таким образом, обнаружил X (4140) почти 560 раз.Скварницки объясняет открытие трех братьев и сестер X (4140), взятых из данных LHCb с 2011 по 2012 год, повышенной чувствительностью инструментов. Он объясняет, что именно энергетическая конфигурация кварков придает каждой частице уникальную массу и идентичность.«Кварки могут быть тесно связанными, как три кварка, упакованных внутри одного протона, или слабо связанными, как два атома, образующих молекулу», — говорит Скварницки. «Изучая квантовые числа частиц, мы смогли сузить возможности и исключить молекулярную гипотезу».
Снимок данных детектора LHCb с выделением столкновений, в результате которых образовались четыре тетракварка. Не то чтобы процесс был легким. «Апоретическая сага» — это то, как Бриттон описывает изучение молекулярных структур, которые, кажется, «выпрыгивают из данных».«Мы изучили каждую известную частицу и процесс, чтобы убедиться, что эти четыре структуры не могут быть объяснены какой-либо ранее существовавшей физикой», — говорит он. «Это было похоже на выпечку шестимерного торта из 98 ингредиентов без рецепта — просто изображение торта».
Тем временем Скварницки, Бриттон и другие сталкиваются с обременительной задачей прочесывания данных и разработки теоретических моделей в попытке подтвердить то, что они видели.«Это может быть квартет совершенно новых частиц или сложное взаимодействие известных частиц, просто меняющих их идентичности», — заключает Скварницки. «В любом случае результат сформирует наше понимание субатомной вселенной».