Wetenschap
CMS Collaboration observeert nieuwe, volledig zware quarkstructuren
Al meer dan tien jaar analyseert de CMS Collaboration, een groot team van onderzoekers gevestigd bij verschillende instituten over de hele wereld, gegevens die zijn verzameld met de Compact Muon Solenoid, een deeltjesdetector voor algemeen gebruik bij de Large Hadron Collider (LHC) van CERN. Deze grootschalige internationale wetenschappelijke samenwerking heeft geprobeerd verschillende ongrijpbare fysische verschijnselen waar te nemen, waaronder exotische deeltjes en kandidaten voor donkere materie.
In een recent artikel, gepubliceerd in Physical Review Letters rapporteerde de CMS Collaboration drie exotische, volledig zware quarkstructuren. Deze structuren, die deel lijken uit te maken van een gemeenschappelijke familie, zouden nieuwe interessante wegen kunnen openen voor onderzoek naar deeltjesfysica.
"Vrijwel alle dingen die we in ons dagelijks leven ervaren, bestaan uit drie deeltjes:elektronen, protonen en neutronen", vertelde prof. Kai Yi van de Nanjing Normal University en Tsinghua University, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. . "Elektronen zijn, voor zover wij weten, fundamenteel, maar de andere twee bestaan uit tripletten van dingen die quarks worden genoemd. Het quarkmodel van deeltjes werd in 1964 voorgesteld en begin jaren zeventig was er overtuigend bewijs van de juistheid ervan."
Het in 1964 geïntroduceerde model beschrijft quarks als nauw verbonden deeltjes, zo sterk verbonden dat ze niet alleen kunnen bestaan en in plaats daarvan alleen worden waargenomen als gebonden quark-tripletten (qqq) of quark-antiquark (qq - ) dubbeltjes. Natuurkundigen hebben een groot aantal van deze nauw verbonden quarksystemen geïdentificeerd, ook wel 'hadrons' genoemd.
"Er bestaat een groot aantal van deze quarksystemen, maar afgezien van het proton en het neutron bestaan ze slechts een vluchtig bestaan", legt prof. Yi uit. ‘De quarktheorie uit 1964 had een maas in de wet, namelijk dat misschien, heel misschien, kwartetten en kwintetten van quarks ook deeltjes zouden kunnen vormen, die ‘exotische’ hadronen worden genoemd. Natuurkundigen hebben tientallen jaren met deze mogelijkheid gespeeld, maar het was een soort randdebiel. activiteit."
Lange tijd leek het observeren van exotische hadronen een uitdagende en ongrijpbare onderzoeksdoelstelling. Eén reden hiervoor is dat de beschikbare experimentele hulpmiddelen natuurkundigen alleen in staat stelden te zoeken naar exotische systemen die volledig zijn samengesteld uit lichte (u, d, s) quarks, die moeilijk te onderscheiden zijn van normale hadronen.
"Naarmate krachtigere deeltjesversnellers beschikbaar kwamen, kwamen systemen met zwaardere (c, b) quarks steeds beter in zicht - en hoe zwaarder de quark, en hoe meer er zijn, hoe gemakkelijker het begrip van het systeem werd", zei prof. Yi. ‘Een enkele charm (c)-quark heeft een massa die ongeveer anderhalf keer zo groot is als die van een proton, en een bottom-(b)-quark is ongeveer vijf keer zwaarder dan een proton, terwijl individuele u- en d-quarks minder zijn dan ongeveer 0,5% van de massa van een proton."
In 2003 wekte een artikel van de Belle Collaboration in Japan nieuwe belangstelling voor exotische systemen, door X(3872) te onthullen, dat werd voorgesteld als een mogelijke cc - qq - systeem (dat wil zeggen een systeem dat twee zware quarks bevat). Dit maakte de weg vrij voor nieuwe studies waarbij andere exotische hadronkandidaten werden geïntroduceerd die charm en zelfs bottom-quarks bevatten, wat duidde op het bestaan van tetra- en penta-quarksystemen.
Ondanks deze inspanningen blijft de interne structuur van exotische hadronen een mysterie, aangezien gerapporteerde systemen lichte quarks omvatten en dus inherent moeilijk te modelleren zijn. De observatie van systemen die uitsluitend uit zware quarks bestaan, zou dus een nieuw venster kunnen openen op exotische structuren, waardoor natuurkundigen de sterke interacties tussen quarks beter kunnen begrijpen.
"Het probleem met zware quarks is dat ze moeilijk te maken zijn", zei prof. Yi. “Een stap in deze richting is het vinden van systemen waarin u- of d-quarks worden vervangen door de s-quark. Hoewel de s-quark nog steeds als een lichte quark wordt beschouwd, heeft hij ongeveer 40 keer de massa van een u-quark. In 2009 werd dit bereikt met de ontdekking van Y(4140), nu chi_c(4140) genoemd, wat een kandidaat is voor een cc - ss - tetra-quark (d.w.z. de eerste exotische kandidaat zonder de zeer lichte (u, d) quarks)."
De ontdekking van chi_c(4140) stimuleerde meer onderzoeksteams om naar structuren te zoeken die volledig uit c- en d-quarks bestonden. Nadat het bestaan van dit systeem was bevestigd, begon CMS ook te zoeken naar systemen die uiteenvallen in paren J/psi-deeltjes of paren Upsilon-deeltjes.
"De J/psi is cc - gebonden staat, de Upsilon a bb - en dus zou iets dat in deze deeltjesparen vervalt een opvallende kandidaat zijn voor een geheel zware tetra-quark, "zei prof. Yi. "Met behulp van gegevens verzameld in 2011 en 2012 als onderdeel van LHC Run I, vond CMS een hint van twee J/psi-J/psi-structuren, maar er waren destijds niet genoeg gegevens om een overtuigende bewering te doen."
In 2019 hervatte de CMS-samenwerking de zoektocht naar volledig zware quarksystemen die vervallen in paren J/psi- of Upsilon-deeltjes, dit keer met behulp van de gegevens die tussen 2016 en 2018 bij de LHC van CERN waren verzameld (Run II). Toch werd het eerste van deze deeltjes, genaamd X(6900), uiteindelijk waargenomen door een ander onderzoek bij CERN, namelijk het LHCb-experiment.
"Het LHCb-experiment was het eerste dat uit de startblokken kwam met hun rapport over het verval van de X(6900) tot J/psi-J/psi in 2020", zei prof. Yi. "Toch ging CMS door met hun werk, en we werden uiteindelijk beloond door het identificeren van drie J/psi-J/psi-structuren:het bevestigen van X(6900) en het rapporteren van twee nieuwe, genaamd X(6600) en X(7100).
Als onderdeel van dit meest recente onderzoek heeft het CMS-team specifiek gezocht naar paren J/Psi-mesonen. Deze deeltjes zijn een krachtig onderzoek naar volledig zware quarksystemen, omdat ze duidelijk kunnen worden geïdentificeerd in de LHC-botser, waar de omgeving complex is en wordt gekenmerkt door pp-botsingen met hoge intensiteit.
"Voor dit onderzoek ontwierp het analyseteam een zoekstrategie in Run II op basis van Run I-informatie zonder daadwerkelijk naar de gegevens te kijken. Deze aanpak, een 'blinde' analyse genoemd, is zeer effectief in het vermijden van mogelijke vooroordelen, zoals jezelf voor de gek houden schijnbaar vinden wat je denkt dat je zou moeten of willen vinden. De drie structuren sprongen eruit nadat de nieuwe gegevens eindelijk waren onthuld,' legde prof. Yi uit.
Met behulp van deze blinde analysestrategie konden prof. Yi en zijn CMS-medewerkers het bestaan bevestigen van de structuur die eerder door de LHCb-samenwerking was ontdekt, terwijl ze ook twee geheel nieuwe structuren onthulden. Deze drie structuren lijken deel uit te maken van dezelfde familie van volledig zware quarksystemen.
"Hoewel dit misschien niet de enige mogelijke interpretatie is, beschrijft een model waarin de drie structuren kwantummechanisch met elkaar interfereren, CMS-gegevens zeer goed", zei prof. Yi. "Dit vereist dat ze alle drie dezelfde kwantumeigenschappen hebben, en suggereert verder dat deze toestanden een familie van aangeslagen tetraquarks zijn."
De drie volledig zware quarkstructuren die door de CMS-samenwerking zijn gerapporteerd, bieden belangrijke nieuwe aanwijzingen over de aard en interne structuur van exotische hadronen. Concreet wijzen ze op een nieuw regime waarop natuurkundigen de theorie van sterke interacties kunnen toepassen:het regime van de 'kwantumchromodynamica'.
"CMS bereidt zich nu voor om hun metingen van de eigenschappen van deze toestanden te verbeteren", voegde prof. Yi eraan toe. "De nieuwe gegevens presenteren een nieuwe opwindende mogelijkheid, namelijk het zoeken naar mogelijke exotische toestanden die puur uit de nog zwaardere bottom-quarks bestaan."