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。”
