In een cirkelvormige tunnel van 27 kilometer onder de grens tussen Frankrijk en Zwitserland, een internationale samenwerking van wetenschappers voert experimenten uit met behulp van 's werelds meest geavanceerde wetenschappelijke instrument, de Large Hadron Collider (LHC). Door protonen die dicht bij de lichtsnelheid reizen tegen elkaar te slaan, deeltjesfysici analyseren deze botsingen en leren meer over de fundamentele samenstelling van alle materie in het universum. In recente jaren, bijvoorbeeld, deze experimenten toonden gegevens die leidden tot de Nobelprijs voor de ontdekking van het Higgs-boson.

Nutsvoorzieningen, een team van hoogenergetische experimentele deeltjesfysici, waaronder een aantal van de Universiteit van Kansas, heeft mogelijk bewijs gevonden van een subatomair quasideeltje dat een "odderon" wordt genoemd en waarvan tot nu toe alleen werd aangenomen dat het bestond. Hun resultaten zijn momenteel gepubliceerd op de preprint-servers van arXiv en CERN in twee artikelen die zijn ingediend bij peer-reviewed tijdschriften.

"We zijn hier al sinds de jaren 70 naar op zoek, " zei Christophe Royon, Stichting Distinguished Professor bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van de KU.

De nieuwe bevindingen hebben betrekking op hadronen (de familie van deeltjes die protonen en neutronen omvat), die zijn samengesteld uit quarks die aan elkaar zijn "gelijmd" met gluonen. Deze specifieke experimenten omvatten "botsingen" waarbij de protonen intact blijven na de botsing. In alle eerdere experimenten, wetenschappers ontdekten botsingen waarbij alleen even aantallen gluonen werden uitgewisseld tussen verschillende protonen.

"De protonen werken samen als twee grote vrachtwagens die auto's vervoeren, het soort dat je op de snelweg ziet, " zei Timothy Raben, een deeltjestheoreticus aan de KU die aan de odderon heeft gewerkt. "Als die vrachtwagens samen zouden crashen, na de crash had je nog steeds de vrachtwagens, maar de auto's zouden nu buiten staan, niet meer aan boord van de vrachtwagens - en er worden ook nieuwe auto's geproduceerd (energie wordt omgezet in materie)."

In de nieuwe krant onderzoekers die meer energie gebruiken en botsingen met meer precisie observeren, rapporteren mogelijk bewijs van een oneven aantal gluonen, zonder quarks, uitgewisseld bij de botsingen.

"Tot nu, de meeste modellen dachten dat er een paar gluonen was - altijd een even getal, " zei Royon. "Nu meten we voor het eerst het hogere aantal evenementen en eigendommen en bij een nieuwe energie. We hebben metingen gevonden die niet compatibel zijn met dit traditionele model waarbij we uitgaan van een even aantal gluonen. Het is een soort ontdekking die we misschien voor het eerst hebben gezien, deze vreemde uitwisseling van het aantal gluonen. Er kunnen er drie zijn, vijf, zeven of meer gluonen."

De KU-onderzoekers legden uit dat de odderon kan worden gezien als de totale bijdrage van alle soorten oneven gluonuitwisseling. Het vertegenwoordigt de betrokkenheid van alle drie, vijf, zeven of andere oneven aantallen gluonen. Daarentegen, het oudere model gaat uit van een bijdrage van alle even aantallen gluonen, dus het omvat bijdragen van twee, vier, zes of meer even genummerde gluonen samen.

Bij de LHC, het werk werd uitgevoerd door een team van meer dan 100 natuurkundigen uit acht landen met behulp van het TOTEM-experiment, nabij een van de vier punten in de supercollider waar protonenbundels in elkaar worden gericht, waardoor miljarden protonparen per seconde botsen.

KU-onderzoekers zeiden dat de bevindingen nieuwe details geven aan het standaardmodel van deeltjesfysica, een algemeen aanvaarde natuurkundetheorie die uitlegt hoe de basisbouwstenen van materie op elkaar inwerken.

"Dit breekt het standaardmodel niet, maar er zijn zeer ondoorzichtige gebieden van het standaardmodel, en dit werk werpt een licht op een van die ondoorzichtige gebieden, ' zei Raben.

Natuurkundigen hebben het bestaan ​​van de odderon al tientallen jaren ingebeeld, maar totdat de LHC in 2015 op zijn hoogste energie begon te werken de odderon bleef slechts een vermoeden. De gegevens die in het nieuwe artikel zijn verzameld en gepresenteerd, zijn verzameld bij 13 teraelectronvolts (TeV), de snelste wetenschappers zijn ooit in staat geweest om protonen te laten botsen.

"Deze ideeën dateren uit de jaren '70, maar zelfs op dat moment werd het al snel duidelijk dat we technologisch niet in de buurt waren van het kunnen zien van de odderon, dus hoewel er tientallen jaren van voorspellingen zijn, de odderon is niet gezien, ' zei Raben.

Volgens de KU-onderzoekers het TOTEM-experiment is ontworpen om de protonen te detecteren die niet worden vernietigd door de botsing, maar slechts in geringe mate afwijken. Dus, de TOTEM-deeltjesdetectoren zijn op enkele millimeters van de uitgaande bundels van protonen die geen interactie hadden, geplaatst. Door huidige resultaten te vergelijken met metingen gedaan bij lagere energieën met minder krachtige deeltjesversnellers, TOTEM heeft de meest nauwkeurige meting ooit kunnen doen.

De co-auteurs vergeleken de verhouding van handtekeningen van botsingen bij verschillende energieën om de "rho-parameter, " een maatregel die hielp bij het opbouwen van bewijs voor de mogelijke aanwezigheid van odderons.

"Als je naar echt hoge energieën gaat, er zijn kenmerken van het gedrag van bundels die met een hoge energie in botsing zijn gekomen, die kan worden gemeten, " zei Raben. "Maar er zijn verschillende soorten high-energy groeisignaturen. Tot nu toe, we hoefden maar aan één type hoogenergetisch groeigedrag te denken. In wezen kunnen deze hoeveelheden veranderen als een functie van de hoeveelheid energie. De rho-parameter meet in wezen de verhouding van de ene handtekening tot de andere van deze hoge energiegroei."

Een dergelijke meting van de rho-parameter is te danken aan het gedeelde werk, samenwerking en belangrijke bijdragen, op de hardware van de detectoren en in het bijzonder op de fysica-analyse, door verschillende postdocs en senior natuurkundigen.

Behalve Royon, KU-personeel dat betrokken is bij de nieuwe TOTEM-bevindingen zijn onder meer postdoctoraal onderzoeker Nicola Minafra, die dit jaar een CMS Achievement Award heeft gewonnen, en afgestudeerde studenten Cristian Baldenegro Barrera, Justin Williams, Tommaso Isidori en Cole Lindsey. Andere KU-onderzoekers die aan het werk deelnemen zijn Laurent Forthomme, een postdoctoraal onderzoeker ook gevestigd bij CERN en werkend aan de CMS/TOTEM-experimenten, en afgestudeerde student Federico Deganutti, die met Raben werkt aan theorie.

"Onze studenten komen uit veel verschillende landen, " zei Royon. "KU is een werk aan de grens van nieuwe dingen, en we verwachten grote resultaten in de komende maanden of jaren. Andere onderzoeksinspanningen zijn onder meer het zoeken naar een extra dimensie in het heelal, maar voor nu kijken we alleen naar de gegevens."

Royon zei dat de snelle timing-detectoren van het TOTEM-experiment die worden gebruikt om de vluchttijd van protonen in de LHC te meten, veel toepassingen in de geneeskunde kunnen zien, ruimtefysica met NASA om kosmische straling te meten, en ontzilting van zeewater, een concept dat de KU-natuurkundige samen met Mark Shiflett onderzoekt, een Foundation Distinguished Professor in de KU School of Engineering.