Natuurkundigen van Cern hebben ontdekt dat er de afgelopen jaren een overvloed aan nieuwe exotische deeltjes is ontstaan ​​bij de botsingen die door de Large Hadron Collider zijn veroorzaakt. Er zijn er zelfs zoveel gevonden dat onze samenwerking (LHCb), die 59 van de 66 recente deeltjes heeft ontdekt, een nieuw naamgevingsschema heeft bedacht om ons te helpen enige orde te scheppen in de groeiende deeltjesdierentuin

Deeltjesfysici hebben een nogal bewogen geschiedenis als het gaat om het benoemen van dingen. Naarmate er in de loop van de 20e eeuw steeds meer deeltjes werden ontdekt, werd de nomenclatuur steeds verwarrender. In de groep van leptonen hebben we bijvoorbeeld elektronen, muonen en dan taus, maar geen tauonen.

En toen twee rivaliserende teams in de jaren zeventig het niet eens konden worden of een nieuw deeltje bestaande uit twee quarks (de kleinste bouwstenen van materie) die ze net hadden ontdekt J of ψ (psi) moest heten, kwamen ze er uiteindelijk op uit om de twee namen onhandig door elkaar te halen. samen om J/ψ te krijgen.

Zelfs vandaag de dag zijn natuurkundigen het er niet over eens of ze de vijfde zwaarste quark "bodem" of "schoonheid" moeten noemen - en daarom de twee door elkaar gebruiken. En laten we niet eens beginnen met het verschrikkelijk genoemde bestiarium van deeltjes dat wordt voorspeld door de theorie die bekend staat als 'supersymmetrie', wat suggereert dat elk deeltje dat we kennen ook een (nog onontdekte) superpartner heeft:vreemd [sic], squark, smuon of gluino iemand ? Eerlijk gezegd is het maar goed dat ze niet lijken te bestaan.

Complexe hadronen

De LHC is een schatkamer geweest voor nieuwe soorten deeltjes, hadronen genaamd. Dit zijn subatomaire deeltjes gemaakt van twee of meer quarks. Conventioneel zijn deze er in twee soorten. Baryonen, zoals de protonen en neutronen waaruit de atoomkern bestaat, zijn gemaakt van drie quarks. Mesonen daarentegen zijn gemaakt van een quark gecombineerd met een antiquark (elk fundamenteel deeltje heeft een antideeltje met dezelfde massa maar tegengestelde lading).

Hoewel er slechts zes verschillende soorten quarks zijn, en slechts vijf van deze hadronen, is er een enorm aantal mogelijke combinaties. In de jaren tachtig bedachten deeltjesfysici een naamgevingsschema voor de hadron-dierentuin, met een symbool voor elk deeltje dat het gemakkelijk maakte om de quark-inhoud te onderscheiden, zoals de Griekse letter Π (pi) om pionen aan te duiden, de lichtste mesonen.

Tot voor kort pasten alle nieuw ontdekte deeltjes mooi in dat schema als baryonen of mesonen. Maar uiteindelijk realiseerden wetenschappers zich dat gecompliceerdere hadronen met meer dan drie quarks ook mogelijk waren:zogenaamde tetraquarks, samengesteld uit twee quarks en twee antiquarks; en pentaquarks, samengesteld uit vier quarks en één antiquark (of andersom).

De eerste duidelijke tetraquark-kandidaten werden ontdekt door de Belle- en BESIII-samenwerkingen en kregen het label Z_c staten (dit was een willekeurige keuze, X en Y waren al gebruikt om andere staten te labelen). Dit werd gevolgd door de spectaculaire ontdekking van pentaquarkstaten, genaamd P_c , door de LHCb-samenwerking. Sinds ongeveer 2019 is de ontdekkingssnelheid versneld, met namen als X, Z_cs , P_cs en T_cc wordt toegewezen op een min of meer ad-hoc manier, wat leidt tot een alfabetsoep van deeltjes.

De afwezigheid van logica die ten grondslag lag aan de namen die aan de nieuwe deeltjes werden gegeven, leidde, misschien onvermijdelijk, tot enige verwarring. Een bijzonder probleem was dat het subscript "c" in de Z_c en P_c symbolen was bedoeld om te impliceren dat deze hadronen zowel charm- als anticharm-quarks bevatten (soms "verborgen charme" genoemd). Daarentegen is het subscript "s" in de Z_cs en P_cs symbolen impliceert dat deze hadronen ook een vreemde quark bevatten ("open vreemdheid"). Dus wat moeten dan staten worden genoemd die zowel open charme (alleen een charm-quark) als vreemdheid bevatten, zoals onlangs gevonden door de LHCb-samenwerking?

Omdat het scala aan nieuwe toestanden en hun toegewezen namen nog verwarrender dreigden te worden, besloten wij en collega's in de LHCb-samenwerking dat het tijd was om te proberen enige schijn van orde te herstellen - althans voor de nieuw ontdekte deeltjes. Ons nieuwe naamgevingsschema volgt enkele leidende principes. Ten eerste moet het basisidee eenvoudig genoeg zijn voor niet-experts om te volgen, bereikt met een basissymbool van T voor tetraquarks en P voor pentaquarks.

Het schema moet het ook mogelijk maken om alle mogelijke combinaties te onderscheiden; dit wordt gedaan door superscripts en subscripts aan de basis toe te voegen om aan te geven uit welke quarks elk deeltje is gemaakt en andere kwantuminformatie. Maar deze moeten consistent zijn met het bestaande schema voor conventionele mesonen en baryonen - bereikt door bestaande symbolen opnieuw te gebruiken.

De huidige namen voor exotische hadronen zouden echter moeten worden gewijzigd. Bijvoorbeeld de Z_cs en P_cs bovengenoemde staten zullen bekend worden als T_ψs en P_ψs , respectievelijk (het J / -deeltje bevat verborgen charme), het probleem oplossen van het onderscheiden van verborgen van open charme door ψ opnieuw te gebruiken voor de eerste en c voor de laatste.

Het laatste leidende principe achter het schema is dat het moet worden geaccepteerd door de bredere gemeenschap van deeltjesfysica. Hoewel de LHCb-samenwerking de meeste nieuwe deeltjes heeft ontdekt, wat ons traditioneel enige naamgevingsrechten geeft, zijn er andere lopende en geplande experimenten op dit gebied, en hun bijdragen zijn essentieel voor de voortgang van het veld. Er zijn natuurlijk ook veel theoretici over de hele wereld die hard werken om de metingen die worden gedaan te interpreteren.

Zowel de algemene principes als de details van het nieuwe naamgevingsschema zijn besproken met deze verschillende groepen, waarbij positieve en constructieve feedback is verwerkt in onze definitieve versie.

Een naamgevingsschema is een belangrijk onderdeel van de taal die wordt gebruikt om te communiceren tussen mensen die werkzaam zijn in de deeltjesfysica. We hopen dat dit nieuwe schema zal helpen bij de voortdurende zoektocht om te begrijpen hoe de zogenaamde sterke kracht quarks in hadronen opsluit, bijvoorbeeld - een functie die diep wiskundig begrip tart.

Nieuwe experimentele resultaten, waaronder de ontdekkingen van nieuwe hadronen, zorgen voor verbeteringen in het theoretische begrip. Verdere ontdekkingen zouden ooit tot een doorbraak kunnen leiden. Maar uiteindelijk zal het succes van het nieuwe schema worden beoordeeld aan de hand van hoe vaak gesprekken de zin bevatten:"Herinner me, welke is dat ook alweer?" + Verder verkennen

LHCb ontdekt drie nieuwe exotische deeltjes:de pentaquark en het allereerste paar tetraquarks

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.