物理学者は2回明白に魅力的なテトラクォークを発見しました

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物理学者は2回明白に魅力的なテトラクォークを発見しました
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テトラクォークの中間子への崩壊の生成物のスペクトルのピーク。これは、粒子の登録を示します。

大型ハドロン衝突型加速器のLHCb実験で、新しい粒子が発見されました。Tcc+テトラクォークは、2つのチャームクォークと2つの軽い反クォークで構成されています。これは、このタイプの最初の確実に発見された粒子であり、クォークと反クォークのペアの代わりに2つのチャームクォークを含み、最も安定したエキゾチックなハドロンが見つかりました。物理学の発見は、欧州物理学会のオンライン会議で発表され、その結果は、科学者が共同執筆したバドカー核物理学研究所のウェブサイトで簡単に報告されています。

現代の概念によれば、強く相互作用する素粒子(ハドロン)はすべて、6種類のクォーク(および対応する反クォーク)で構成されています。同時に、自然界では、バリオン(3つのクォークまたは3つの反クォークのシステム)が陽子と中性子を含み、中間子(クォークと反クォークのペア)は、たとえば宇宙線が地球の大気と相互作用するときに形成されます。 。

しかし、60年代半ばには、クォークモデルを作成する段階でさえ、その作者であるマレーゲルマンは、バリオンまたは中間子構造にクォークと反クォークのペアが埋め込まれているため、より複雑なエキゾチック粒子の存在を予測しました。 (詳細については、資料「宇宙の8つの道」を参照してください)。

ゲルマンの予測から半世紀後の2014年のLHCb実験で、科学者たちは初めてそのような粒子、つまりテトラクォークZ(4430)を確実に観測しました。それ以来、20のエキゾチックなハドロンが発見されましたが、物理学者はまだそれらの構造を最終的に理解することに成功していません。

現在、LHCbのコラボレーションは、2つのc-クォーク(比較的重く、ギガ電子ボルトのオーダーの質量-陽子の質量に匹敵する)を含む新しいテトラクォーク-Tcc +の発見を発表しました。 d-反クォーク(質量が3桁小さく、メガエレクトロンボルト単位)。この組成は、粒子を以前に発見されたテトラクォークと区別します。最近まで、確実に観測された粒子には隠された魅力がありました。つまり、c-クォークとc-反クォークが同時に含まれていました。

登録するために、物理学者は、検出器が2011年から2018年に収集した衝突型加速器の第1シーズンと第2シーズンのデータを使用しました。研究者らは、D0中間子と1つのπ+中間子のペアに崩壊し、最初の粒子がさらにπ+-中間子とK-中間子に崩壊することによって、プロトン-プロトン衝突の新しい粒子を探しました。

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陽子-陽子衝突におけるテトラクォークの生成とその後の中間子への崩壊の概略図

その結果、物理学者はTcc +生成の約200のイベントを登録し、10標準偏差を超える有意性を持つこの粒子の発見を確認することができました(これは、研究者が取るであろうランダムな変動の可能性を実質的に排除します)信号の場合)。

著者が指摘しているように、新しい粒子は比較的狭い減衰幅を持っています-数十から数百メガエレクトロンボルトの典型的な値でメガエレクトロンボルトの約半分だけです-つまり、平均して、Tcc +は同様のクォーク構造よりも桁違いに長く存在しますそして現在、既知のエキゾチックなハドロンの中で最も安定しつつあります。この特徴は、粒子内に2つの重いクォークが存在するためであると信じる理論的根拠があります。

粒子のもう1つの興味深い特性は、その質量が1対のD中間子(1つは中性でもう1つは正に帯電して励起されている)の質量に近接していることです。テトラクォークの質量がほぼ4ギガエレクトロンボルトの場合、予備計算によると、この差は10分の1メガエレクトロンボルト(100分の1パーセント未満)であり、4、3σの有意性で、テトラクォークはDのペアよりも軽いです。 -中間子。この偶然の理由は現時点では明らかではありません。

さらに、Tcc +の崩壊生成物は比較的簡単に検出できます。テトラクォークの安定性とともに、粒子特性のさらに正確な測定が容易になります。

特に、研究者はシステムの内部構造に興味を持っています。今日、それが原子のようなものであるかどうか、つまり、重いクォークが中央にコンパクトに詰め込まれ、軽い反クォークの雲に囲まれているのか、それとも分子に似ているのか、つまり、重い中間子のペアを表しているのかどうかは明確ではありません(それぞれに1つのc-クォークと1つの軽い反クォーク)は、それぞれのサイズの約10倍の距離で隔てられています。

また、Tcc +の発見は、同様の粒子であるテトラクォークの検索に役立ちます。テトラクォークには、cクォークの代わりに1対のbクォークが含まれています(さらに重い)。そのような粒子は、その質量が可能な崩壊生成物の質量よりも小さいため、強い相互作用のメカニズムによって実際に崩壊することができないと予想されます-これは、テトラクォークを弱い相互作用で崩壊させ、その質量を増加させます数桁の寿命。

以前、物理学者が完全に魅力的なテトラクォークをどのように発見したかについて話しました。エキゾチックなハドロンがどのように発見されたかについては、私たちの資料「テトラクォークは西部開拓時代」で詳しく知ることができます。

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