CERN: Yükseltilmiş LHCb dedektörü, ağır proton karşılığını keşfetti

Parçacık fiziği, atom altı madde hayvanat bahçesindeki yeni bir yapı taşını katalogladı: Rencontres de Moriond Electroweak konferansında, CERN'deki LHCb işbirliği Ξ'yı keşfetti._cc⁺ (telaffuz: Xi-cc-plus) açıklandı.

Bu, iki ışıklı kuark yerine iki ağır tılsımlı kuark içeren proton benzeri bir parçacıktır ve bu nedenle ağırlığı sıradan bir protonun dört katı kadardır. Bu, 2023 yılında güncellenecek olan ve dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısının bir parçası olan LHCb dedektörünün ilk yeni keşfidir.

Evrendeki tüm görünür maddeler sonuçta daha fazla parçalanamayan temel yapı taşları olan kuarklardan oluşur. Parçacık fiziğinin Standart Modeli, üç kuşak halinde düzenlenmiş altı tür kuarkı tanır. Birinci nesil, protonların (iki yukarı, bir aşağı, yani uud) ve nötronların (udd) oluştuğu aşağı (d) ve yukarı (u) kuarkları içerir. Pozitif elektrik yüklü tek bir proton ve nötr bir nötronun yaratılması için kuarkların her birinin üçüncü sayıdaki temel yükleri taşıması gerekir: aşağı kuark -1/3 e (burada e, elektronun temel yüküdür) ve yukarı kuark +2/3 e. Aynı şey sonraki nesillerin kuarkları için de geçerlidir. İkinci nesilde garip (ler) ve tılsım kuarkları (c), üçüncü nesilde ise alt (b) ve üst kuarklar

Kuarklar tek tek görünmezler, her zaman hadron adı verilen bağlı hallerde görünürler. Gluonların aracılık ettiği güçlü nükleer kuvvet kuarkları bir arada tutar. Protonlar, nötronlar ve yeni keşfedilen Ξ_cc⁺, her biri üç kuarktan oluşan baryonların hadron alt grubuna aittir; Mezonlar ise bir kuark ve bir anti-kuarktan oluşur.

İki yukarı kuark yerine iki tılsım kuarkı

Yeni keşfedilen Ξ_ccAraştırmacılara göre ⁺, dramatik bir kuark değişimine sahip bir proton olarak anlaşılabilir: ccd bileşiminde iki ağır tılsım kuarkı, protonun iki ışıklı kuarkının (uud) yerini alırken, aşağı kuark korunur. Tılsım kuarkları hafif akrabalarına göre çok daha fazla kütleye sahip oldukları için bu Ξ değerine ulaşır._cc⁺ 3619,97 ± 0,83 MeV/c²'lik ölçülmüş bir kütle – normal bir protonun yaklaşık dört katı.

Fizikçiler kısa ömürlü parçacığı karakteristik bozunum yoluyla tespit ettiler: Ξ_cc⁺ ⇀ Λ_C⁺ K⁻ π⁺, burada Λ_C⁺ sırayla bir protona, bir K⁻ ve bir π⁺'ye bozunur. Araştırmacılar, bu bozunma ürünlerinin sözde değişmez kütlesini 2024'teki proton-proton çarpışma verilerinden (kurşundan altın çekirdek üretimi gibi oldukça karmaşık nükleer dönüşümlerin de gözlemlendiği LHC Çalıştırma 3) yeniden oluşturarak, yaklaşık 915 olayla 3620 MeV/c² civarında net bir zirve gözlemlediler. İstatistiksel anlamlılık 7 sigmadır ve bu nedenle parçacık fiziğinde yaygın olan 5 sigma eşiğinin çok üzerindedir ve bunun üzerinde onaylanmış bir keşiften söz edilir.

20 yıllık gizemi çözüyoruz

Ξ_cc⁺, 2017 yılında LHCb tarafından ccu bileşimiyle keşfedilen Ξcc⁺⁺'nin sözde izospin ortağıdır. Yukarı ve aşağı kuarkların özellikleri hemen hemen aynı olduğundan, teori her iki parçacık için de hemen hemen aynı kütleleri öngörüyor. Yeni ölçüm tam olarak bunu doğruluyor ve böylece 20 yılı aşkın süredir devam eden bir tartışmaya son veriyor.

2000'li yılların başında, SELEX deneyi önemli ölçüde daha hafif bir Ξ sinyalini gösteren bir sinyal bildirdi._cc⁺ önerdi. Ancak FOCUS, BaBar ve Belle deneylerinde ve ayrıca önceki LHCb veri setlerinde yapılan sonraki aramalar bu sonucu hiçbir zaman yeniden üretemedi. Yalnızca yükseltilmiş LHCb dedektörünün gelişmiş performansı, parçacığın teorik beklentilere ve Ξ'ya karşılık gelen bir kütlede tespit edilmesini mümkün kıldı._cc⁺⁺ partner maçları.

Standart Model İçin Önemi

Bu keşif, yalnızca dedektör yükseltmesinden sonraki ilk parçacık keşfi olan LHCb deneyi için bir kilometre taşı değil, aynı zamanda kuantum renk dinamiği (QCD) – kuarkların ve gluonların güçlü etkileşim yoluyla nasıl etkileşime girdiğini açıklayan teori – için de önemli bir mihenk taşıdır. Ölçülen kütlenin tahminlerle kesin uyumu, çoklu ağır kuarklara sahip hadronların teorik olarak anlaşılmasını doğrulamaktadır.

Kanıt aynı zamanda modernize edilmiş dedektörün pentakuarklar veya tetrakuarklar gibi daha nadir egzotik parçacık durumlarını tespit edecek kadar hassas olduğunu da gösteriyor. Daha da nadir görülen olayları araştırmak için CERN halihazırda çok daha büyük bir hızlandırıcı inşa etmeyi planlıyor.

İşbirliği, Moriond konuşmasında ayrıntılı sonuçlar sundu; Kısa süre içinde tam bir bilimsel yayının yayınlanması bekleniyor. Bir CERN medya raporu daha fazla bilgi sağlar.

(vza)