Een internationale studie onder leiding van de Universiteit van Bonn heeft bewijs gevonden voor een lang gezocht effect in versnellergegevens. De zogenaamde "driehoeksingulariteit" beschrijft hoe deeltjes hun identiteit kunnen veranderen door quarks uit te wisselen, waardoor een nieuw deeltje wordt nagebootst. Het mechanisme biedt ook nieuwe inzichten in een mysterie dat deeltjesfysici al lang voor een raadsel houdt:protonen, neutronen en vele andere deeltjes zijn veel zwaarder dan je zou verwachten. Dit komt door eigenaardigheden van de sterke interactie die de quarks bij elkaar houdt. De driehoekssingulariteit zou kunnen helpen om deze eigenschappen beter te begrijpen. De publicatie is nu beschikbaar in Fysieke beoordelingsbrieven .

In hun studie hebben de onderzoekers analyseerden gegevens van het COMPASS-experiment bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek CERN in Genève. Daar, bepaalde deeltjes die pionen worden genoemd, worden tot extreem hoge snelheden gebracht en op waterstofatomen geschoten.

Pions bestaan ​​uit twee bouwstenen, een quark en een antiquark. Deze worden bij elkaar gehouden door de sterke interactie, net als twee magneten waarvan de polen elkaar aantrekken. Wanneer magneten uit elkaar worden bewogen, de aantrekkingskracht tussen hen neemt achtereenvolgens af. Bij de sterke wisselwerking is het anders:het neemt toe met de afstand, vergelijkbaar met de trekkracht van een uitrekkende rubberen band.

Echter, de impact van het pion op de waterstofkern is zo sterk dat dit elastiekje breekt. De daarin opgeslagen "strekenergie" komt in één keer vrij. "Dit wordt omgezet in materie, die nieuwe deeltjes creëert, " legt Prof. Dr. Bernhard Ketzer van het Helmholtz Instituut voor Straling en Kernfysica aan de Universiteit van Bonn uit. "Experimenten zoals deze verschaffen ons daarom belangrijke informatie over de sterke interactie."

Ongebruikelijk signaal

anno 2015, COMPASS-detectoren registreerden een ongebruikelijk signaal na zo'n crashtest. Het leek erop te wijzen dat de botsing gedurende enkele fracties van een seconde een exotisch nieuw deeltje had gecreëerd. "Deeltjes bestaan ​​normaal gesproken uit drie quarks - dit omvat de protonen en neutronen, bijvoorbeeld - of, zoals de pionnen, van een quark en een antiquark, ", zegt Ketzer. "Deze nieuwe kortstondige tussentoestand, echter, bleek uit vier quarks te bestaan."

Samen met zijn onderzoeksgroep en collega's aan de Technische Universiteit van München, de natuurkundige heeft de gegevens nu aan een nieuwe analyse onderworpen. "We hebben kunnen laten zien dat het signaal ook op een andere manier kan worden uitgelegd, dat is, door de eerder genoemde driehoekssingulariteit, benadrukt hij. Dit mechanisme werd al in de jaren vijftig gepostuleerd door de Russische natuurkundige Lev Davidovich Landau, maar is nog niet direct bewezen.

Volgens dit, de deeltjesbotsing leverde helemaal geen tetraquark op, maar een volkomen normaal quark-antiquark-tussenproduct. Dit, echter, meteen weer kapot maar op een ongebruikelijke manier:"De betrokken deeltjes wisselden quarks uit en veranderden hun identiteit in het proces, " zegt Ketzer, die ook lid is van het Transdisciplinair Onderzoeksgebied "Building Blocks of Matter and Fundamental Interactions" (TRA Matter). "Het resulterende signaal ziet er dan precies hetzelfde uit als dat van een tetraquark met een andere massa." Dit is de eerste keer dat een dergelijke driehoekssingulariteit is gedetecteerd die direct een nieuw deeltje in dit massabereik nabootst. Het resultaat is ook interessant omdat het nieuwe inzichten mogelijk maakt in de aard van de sterke interactie.

Slechts een klein deel van de protonmassa kan worden verklaard door het Higgs-mechanisme

protonen, neutronen, pionen en andere deeltjes (hadronen genaamd) hebben massa. Dit halen ze uit het zogenaamde Higgs-mechanisme, maar uiteraard niet uitsluitend:een proton heeft ongeveer 20 keer meer massa dan alleen door het Higgs-mechanisme kan worden verklaard. "Het veel grotere deel van de massa hadronen is te wijten aan de sterke interactie, Ketzer legt uit. "Precies hoe de massa's hadronen ontstaan, echter, is nog niet duidelijk. Onze gegevens helpen ons om de eigenschappen van de sterke interactie beter te begrijpen, en misschien de manier waarop het bijdraagt ​​aan de massa van deeltjes."