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最后,科学家们证明了“死锥效应”,撼动了粒子物理学

2022-06-28 15:29     来源:外媒     粒子物理原子核
欧洲核子研究组织ALICE 与瑞士日内瓦大型强子对撞机(LHC) 的合作最近首次观察到了粒子物理学的一个重要方面,即“死锥效应”。

这种效应是强核力的一个基本要素——自然界的四种基本力之一 ——负责结合夸克和胶子。这些是构成强子的基本粒子,例如质子和中子,它们又构成了所有原子核,在正常情况下,只有在大型强子对撞机产生的那种高能级下才能单独看到它们。

“我们直接观察了强力理论中的一种效应,称为死锥效应,”欧洲核子研究中心的实验高能物理学家Nima Zardoshti告诉大众力学。“这是理论的一部分,已经预测了一段时间,但直到现在还没有被直接观察到。”

死锥效应是在 30 年前作为强力理论的一部分预测出来的,并且以前曾在粒子加速器中间接观察到过。然而,直接观察这种效应对物理学家来说仍然是一个挑战。幸运的是,ALICE(大型离子对撞机实验)探测器——大型强子对撞机实验的一部分,与其他将质子碰撞并将重原子核(尤其是铅)撞击在一起的实验不同——是实现这一目标的理想设备。

“在 ALICE,我们可以按照 LHC 标准在相当低的能量下进行测量,这很重要,因为死锥角仅对于低能量重夸克来说才大,”Zardoshti 解释说。“我们还有像照相机一样工作的探测器,它们非常擅长寻找含有重夸克的强子——这是重建孤立的重夸克的关键一步。”

Zardoshti 是一篇新论文的主要作者,该论文讨论了ALICE合作的最新发现,该论文于上个月发表在《自然》杂志上。该团队在 2019 年至 2021 年春季期间为这项工作进行了实验。在论文中,Zardoshti 和他的团队解释说,对死锥效应的观察导致了粒子物理学的另一个重要实验突破。

“除了观察和确认本身很重要的[死锥]效应外,我们的结果还通过实验向我们展示了粲夸克有质量——因为没有质量的粒子没有死锥,”他解释说.

什么是夸克?

质量不同的夸克分为三代,粲夸克是第二代夸克的一部分。死锥效应告诉物理学家,为什么第二代和第三代的重夸克,例如魅力夸克和美夸克,与没有质量的较轻夸克和胶子相比,在 LHC 碰撞中出现时会发生不同的演变。

大型强子对撞机上的粒子碰撞释放了夸克和胶子——统称为部分子的粒子——它们通常被限制在强子中,如质子和中子,并且仅在高能级时才自由。粒子的碰撞会导致一连串的事件,称为部分子簇射,它以胶子的形式发射能量。

“当这些粒子在碰撞中产生并向外传播时,它们将开始释放更多的夸克和胶子,”Zardoshti 说。“这些排放的模式非常重要,因为它们与强大的力量密切相关,并帮助我们了解它的特性。这些模式受到影响的方式之一是通过死锥效应通过发射夸克的质量[在这种情况下是粲​​夸克]。”

死锥效应如何工作?

死锥是围绕发射夸克的一个角度,这个角度的大小取决于夸克的重量。在这个锥体内,发射胶子的可能性要小得多。这意味着通过观察没有发射胶子的位置,并测量这个死锥,科学家们可以揭示正在研究的粒子的质量。

“对于相当重的魅力、美和顶夸克,角度相当大,对重夸克可以发射的胶子模式有很大影响,”Zardoshti 继续说道。

“粲夸克有很大的质量——连同美夸克和顶夸克——这意味着它应该有一个大的死锥,”Zardoshti 说。“所以我们的技术是分离出粲夸克并重建其中的胶子发射,并观察夸克周围的死锥区域,那里的胶子发射很少见。”

ALICE 合作的技术在parton 簇射中产生的稀有粒子已经衰变时,将parton 簇射从其最终产品粒子中及时回滚。然后,该团队寻找粲夸克的踪迹并追溯其胶子发射的历史。

将这种发射模式与较轻夸克和胶子的发射进行比较,揭示了粲夸克发射中的死锥。Zardoshti 说:“我们的技术找到了一种方法,不仅可以分离粲夸克,而且可以测量对它与强子结合之前的质量直接敏感的效应。”

ALICE 合作现在计划利用今年夏天作为大型强子对撞机运行 3 的一部分收集的数据进一步研究死锥效应。

“我们接下来要测量美夸克的死锥,它应该比粲夸克的死锥更大,因为美夸克要重得多,”Zardoshti 总结道。“然后,我们希望扩展这种从重夸克中分离排放的技术,以尝试描述有关强力发射模式的更多信息。”

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