Tomasz Skwarnicki, hoogleraar natuurkunde aan de Hogeschool voor Kunsten en Wetenschappen van de Universiteit van Syracuse, heeft nieuwe informatie ontdekt over een klasse deeltjes die pentaquarks worden genoemd. Zijn bevindingen zouden kunnen leiden tot een nieuw begrip van de structuur van materie in het universum.

Assist van Liming Zhang, een universitair hoofddocent aan de Tsinghua Universiteit in Peking, Skwarnicki heeft gegevens geanalyseerd van het Large Hadron Collider beauty-experiment (LHCb) in de Large Hadron Collider (LHC) van CERN in Zwitserland. De experimentele natuurkundige heeft bewijs gevonden van drie nooit eerder vertoonde pentaquarks, elk verdeeld in twee delen.

"Tot nu, we hadden gedacht dat een pentaquark bestond uit vijf elementaire deeltjes [quarks genaamd], vast aan elkaar. Onze bevindingen bewijzen het tegendeel, " zegt Skwarnicki, een Fellow van de American Physical Society.

Skwarnicki maakt deel uit van een team van onderzoekers, waaronder leden van Syracuse's High-Energy Physics (HEP) Group, het bestuderen van fundamentele deeltjes en krachten in het heelal. Het grootste deel van hun werk vindt plaats in het CERN-laboratorium, wiens LHC de grootste is, krachtigste deeltjesdetector ter wereld.

Het is binnen de LHC dat protonen met hoge energie tegen elkaar worden geslingerd, alleen om met elkaar in botsing te komen. Wat zit er in de deeltjes, wanneer opengebarsten, helpt wetenschappers de mysteries van het fundamentele universum te onderzoeken.

Protonbotsingen bestuderen van 2015-18, Skwarnicki heeft het bestaan ​​van een onderbouw binnen een pentaquark bevestigd. De winactie, hij zegt, was een drietal smalle pieken in de kinematische gegevens van de LHC.

Elke piek verwijst naar een bepaalde pentaquark, in het bijzonder een verdeeld in twee delen:een baryon, met drie quarks, en een meson, met twee quarks.

Een piek suggereert ook resonantie, een kortstondig fenomeen tijdens deeltjesverval, waarin een onstabiel deeltje transformeert in meerdere andere. Resonantie vindt plaats wanneer protonen (een soort baryon) elkaar ontmoeten - of, nauwkeuriger, in elkaar glijden - tijdens een LHC-botsing.

Het unieke aan elk van deze drie pentaquarks is dat de massa iets lager is dan de som van de delen - in dit geval de massa's van de baryon en meson. "De pentaquark is niet zo gemakkelijk vergaan, uit elkaar vallend proces, " zegt Skwarnicki. "In plaats daarvan, het verviel door langzaam en moeizaam zijn quarks te herschikken, het vormen van een smalle resonantie."

Begrijpen hoe deeltjes interageren met en aan elkaar binden, is Skwarnicki's specialiteit. anno 2015, hij en vervolgens Ph.D. leerling Nathan Jurik G'16, De vooraanstaande professor Sheldon Stone en Zhang haalden de krantenkoppen met hun rol in de detectie van een pentaquark door LHCb. Theoretiseerde een halve eeuw eerder, hun ontdekking was gebaseerd op LHC-gegevens van 2011-12.

De laatste gegevens van LHCb maakten gebruik van een energiestraal die bijna twee keer zo sterk was. Deze methode, gecombineerd met meer verfijnde gegevensselectiecriteria, produceerde een groter aantal protonbotsingen.

"Het gaf ons ook 10 keer meer gegevens en stelde ons in staat om pentaquarkstructuren duidelijker waar te nemen dan voorheen, "zegt Skwarnicki. "Wat we dachten dat slechts één pentaquark was, bleken twee smalle te zijn, met weinig ruimte ertussen."

De gegevens onthulden ook een derde "metgezel" pentaquark. "Alle drie de pentaquarks hadden hetzelfde patroon - een baryon met een meson-onderbouw. ​​Hun massa's waren lager dan de baryon-meson-drempels, " hij voegt toe.

Skwarnicki's ontdekking vond relatief snel plaats, gezien het feit dat LHCb minder dan drie maanden geleden is gestopt met het verzamelen van gegevens.

Eric Sedore, associate CIO voor infrastructuurdiensten in Information Technology Services (ITS), een ondersteunende rol gespeeld. Zijn Research Computing Team zorgde voor de nodige computervuurkracht voor Skwarnicki om zijn doelen te bereiken.

Naast Skwarnicki en Stone, HEP omvat professoren Marina Artuso en Steven Blusk en assistent-professor Matthew Rudolph. De groep bouwt momenteel een apparaat op de campus genaamd de Upstream Tracker (UT), wordt volgend jaar verscheept naar en geïnstalleerd bij CERN als onderdeel van een grote LHCb-upgrade.

"De UT zal LHCb aanzienlijk verbeteren, die is samengesteld uit ongeveer 10 verschillende subdetectoren. Ik heb goede hoop dat de UT tot meer ontdekkingen zal leiden, " zegt Skwarnicki, eraan toevoegend dat Artuso en Stone de leider en plaatsvervanger van het UT-project zijn, respectievelijk.

Skwarnicki is enthousiast over LHCb omdat het helpt verklaren hoe de kleinste bestanddelen van materie zich gedragen. Zijn laatste ontdekking, bijvoorbeeld, bewijst dat pentaquarks op dezelfde manier zijn gebouwd als protonen en neutronen, die in de kern van een atoom aan elkaar zijn gebonden.

"Pentaquarks spelen misschien geen significante rol in de materie waarvan we gemaakt zijn, " hij zegt, "maar hun bestaan ​​kan onze modellen van de materie in andere delen van het universum aanzienlijk beïnvloeden, zoals neutronensterren."