De ALICE-samenwerking bij de Large Hadron Collider (LHC) heeft de eerste directe waarneming van het dode-kegeleffect gedaan - een fundamenteel kenmerk van de theorie van de sterke kracht die quarks en gluonen samenbindt tot protonen, neutronen en uiteindelijk alle atomaire kernen. Naast het bevestigen van dit effect, bevestigt de waarneming, gerapporteerd in een artikel dat vandaag in Nature . is gepubliceerd , biedt directe experimentele toegang tot de massa van een enkele charm-quark voordat deze in hadronen wordt opgesloten.

"Het was een hele uitdaging om de dode kegel direct te observeren", zegt ALICE-woordvoerder Luciano Musa. "Maar door gebruik te maken van drie jaar aan gegevens van proton-protonbotsingen bij de LHC en geavanceerde technieken voor gegevensanalyse, hebben we het eindelijk kunnen ontdekken."

Quarks en gluonen, gezamenlijk partons genoemd, worden geproduceerd in deeltjesbotsingen zoals die plaatsvinden bij de LHC. Na hun creatie ondergaan partons een cascade van gebeurtenissen die een partondouche wordt genoemd, waarbij ze energie verliezen door straling uit te zenden in de vorm van gluonen, die ook gluonen uitzenden. Het stralingspatroon van deze douche hangt af van de massa van het gluon-emitterende parton en vertoont een gebied rond de vluchtrichting van het parton waar de gluon-emissie wordt onderdrukt - de dode kegel.

Dertig jaar geleden voorspeld op basis van de eerste principes van de theorie van de sterke kracht, is de dode kegel indirect waargenomen bij deeltjesversnellers. Het bleef echter een uitdaging om het rechtstreeks vanuit het stralingspatroon van de partondouche te observeren. De belangrijkste redenen hiervoor zijn dat de dode kegel gevuld kan worden met de deeltjes waarin het emitterende parton verandert, en dat het moeilijk is om de veranderende richting van het parton tijdens het doucheproces te bepalen.

De ALICE-samenwerking overwon deze uitdagingen door ultramoderne analysetechnieken toe te passen op een groot aantal proton-protonbotsingen bij de LHC. Deze technieken kunnen de partondouche terug in de tijd laten rollen vanaf zijn eindproducten - de signalen die in de ALICE-detector worden achtergelaten door een deeltjesnevel die bekend staat als een jet. Door te zoeken naar jets die een deeltje bevatten dat een charm-quark bevat, konden de onderzoekers een jet identificeren die door dit type quark was gemaakt en de hele geschiedenis van de quark van gluon-emissies traceren. Een vergelijking tussen het gluon-emissiepatroon van de charm-quark met dat van gluonen en praktisch massaloze quarks onthulde toen een dode kegel in het charm-quarkpatroon.

Het resultaat legt ook direct de massa van de charm-quark bloot, aangezien de theorie voorspelt dat massaloze deeltjes geen overeenkomstige dode kegels hebben.

"Quarkmassa's zijn fundamentele grootheden in de deeltjesfysica, maar ze kunnen niet rechtstreeks in experimenten worden benaderd en gemeten, omdat quarks, met uitzondering van de top-quark, zich in composietdeeltjes bevinden", legt natuurkundig coördinator ALICE, Andrea Dainese, uit. "Onze succesvolle techniek om de dode kegel van een partondouche direct te observeren, kan een manier zijn om quarkmassa's te meten." + Verder verkennen

Nieuw inzicht in de interne structuur van het proton