Das ALICE-Experiment mit dem Large Hadron Collider hat zum ersten Mal ein als „Meticon“ bekanntes Phänomen gemessen, das es Physikern ermöglicht hat, die Masse eines Elementarteilchens zu messen, das als „magisches Quark“ bekannt ist.
Viele der Teilchen, aus denen das sichtbare Universum um uns herum besteht, sind tatsächlich zusammengesetzte Teilchen aus weniger massiven Elementarteilchen, die als Quarks bekannt sind. Protonen und Neutronen beispielsweise enthalten jeweils drei Quarks. Es gibt sechs Anders “Aromen“ von Quarks – Up, Down, Up, Down, Weird, Magic – jeweils mit unterschiedlichen Massen, Spins und anderen Quanteneigenschaften. Verschiedene Gruppen von Quarks bilden auch verschiedene Teilchen. Quarks werden in diesen Partikeln zusammengehalten, die zusammengesetzt sind starke Kraft, das sich durch ein masseloses Teilchen namens Gluon bewegt. Quarks und Gluonen werden gemeinsam als “Partons” bezeichnet.
In dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN in der Nähe von Genf, Schweiz, werden Protonen durch starke Magnetfelder durch einen 27 Kilometer langen Tunnel hinein beschleunigt Energien bis 6,8 MeVbevor einer mit dem anderen kollidiert. Die Kollisionen erzeugen eine Reihe anderer Teilchen, die wiederum emittiert werden oder in weitere Teilchen zerfallen, und so weiter in einer Kette, die Licht auf grundlegende Aspekte der Physik werfen kann.
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Insbesondere werden Quarks und Gluonen in einer als Partonschauer bezeichneten Kette produziert und freigesetzt, in der Quarks Gluonen emittieren und die Gluonen selbst andere Gluonen mit niedrigerer Energie emittieren können.
Wissenschaftler, die an ALICE (der Name ist die Abkürzung für Large Ion Collider Experiment) arbeiteten, durchsuchten drei Jahre lang Protonenkollisionen, um Beweise für den Tod des Kegels zu finden. Gemäß der Theorie der Quantenchromodynamik oder QCD, die beschreibt, wie die starke Kraft wirkt, ist ein toter Kegel ein Bereich, in dem Teile einer bestimmten Masse und Energie daran gehindert werden, Gluonen zu emittieren.
„Es war sehr schwierig, den toten Kegel direkt zu beobachten“, sagte ALICE-Sprecher Luciano Musa. Pressemitteilung.
Ein Teil der Schwierigkeit besteht darin, dass die Totzone mit anderen subatomaren Teilchen gefüllt werden kann, die bei der Kollision eines Protons mit einem Proton entstehen, während es auch schwierig ist, die Bewegung eines Teils durch den Schauer zu verfolgen, da es ständig die Richtung ändert.
Um dieses Problem zu lösen, haben die mit ALICE zusammenarbeitenden Wissenschaftler eine Technik entwickelt, mit der sie partielle Duschaufzeichnungen zeitlich zurückverfolgen konnten, wodurch sie sehen konnten, wo und wann Duschnebenprodukte emittiert wurden. Insbesondere suchten sie nach Pools, die Charm-Quarks enthalten. Beim Abbau dieses Schauers fanden die Wissenschaftler einen Bereich im Gluon-Strahlungsmuster, das während des Barton-Schauers emittiert wurde, wo die Gluon-Emission gehemmt war. Das ist der tote Kegel.
Diese Entdeckung ist nicht nur deshalb wichtig, weil sie die QCD-Vorhersage bestätigt, sondern auch, weil sie jetzt eine direkte Möglichkeit bietet, die Masse des Charm-Quarks direkt zu messen, die Theorie und indirekte Messungen auf 1.275 +/-25 MeV/c^2 beziffern. Laut QCD steht der Totkegel in direktem Zusammenhang mit der Masse des Teils, und die masselosen Teilchen können keinen Totkegel erzeugen.
„Quarkmassen sind fundamentale Größen in der Teilchenphysik, aber sie können in Experimenten nicht direkt abgerufen und gemessen werden, da Quarks mit Ausnahme des Top-Quarks in zusammengesetzten Teilchen eingeschlossen sind“, sagte Andrea Dainese, Physikkoordinatorin von ALICE.
Daher könnte die Entdeckung des toten Kegels den Weg für eine neue Ära der Quarkphysik ebnen.
Die Ergebnisse wurden am 18. Mai im Journal veröffentlicht Natur temperieren.
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