Veliki hadronski trkalnik s svojimi prvimi zagonami trkajočih protonov v letih 2008–2013 zdaj zagotavlja tok eksperimentalnih podatkov, na katere se znanstveniki zanašajo pri testiranju napovedi, ki izhajajo iz fizike delcev in visokih energij. Pravzaprav danes CERN objavil prvi podatki, pridobljeni s poskusi LHC. Z vsakim dnem se sproščajo nove informacije, ki pomagajo osvetliti nekatere globlje skrivnosti vesolja.
Ta teden je na primer CERN objavil odkritje dveh novih subatomskih delcev, ki sta del družine barionov. Delci, znani kot Xi_b'-in Xi_b*-, so odkrili s prizadevanji eksperimenta LHCb – mednarodnega sodelovanja, ki vključuje približno 750 znanstvenikov z vsega sveta.
Obstoj teh delcev je predvidel model kvarkov, vendar jih še nikoli nismo videli. Še več, njihovo odkritje bi lahko znanstvenikom pomagalo pri nadaljnji potrditvi Standardnega modela fizike delcev, ki zaradi odkritja Higgsovega bozona zdaj velja za skoraj nedostopnega.
Tako kot dobro znani protoni, ki jih LHC pospešuje, so novi delci barioni, sestavljeni iz treh kvarkov, ki jih povezuje močna sila. Vendar so vrste kvarkov različne: nova delca X_ib vsebujeta en lepotni (b), en čuden (s) in en spodnji (d) kvark. Zahvaljujoč težkim b kvarkom so več kot šestkrat masivni od protona.
Prerez velikega hadronskega trkalnika, kjer so nameščeni njegovi detektorji in pride do trkov. Zasluge: CERN
Vendar pa je njihova masa odvisna tudi od tega, kako so konfigurirani. Vsak od kvarkov ima atribut, imenovan 'spin'; in v Xi_b'-stanju, vrti dveh lažjih kvarkov kažejo v nasprotni smeri od b kvarka, medtem ko v Xi_b*-stanje, da so usklajeni. Ta razlika naredi Xi_b*-malo težje.
'Narava je bila prijazna in nam je dala dva delca za ceno enega,' je povedal Matthew Charles iz laboratorija CNRS LPNHE na univerzi Paris VI. 'Xi_b'-je po masi zelo blizu vsoti svojih produktov razpadanja: če bi bil le malo lažji, ga sploh ne bi videli z uporabo razpadajočega podpisa, ki smo ga iskali.
'To je zelo razburljiv rezultat,' je dejal Steven Blusk z univerze Syracuse v New Yorku. 'Zahvaljujoč odlični identifikaciji hadronov LHCb, ki je edinstvena med poskusi LHC, smo lahko ločili zelo čist in močan signal od ozadja,''Še enkrat dokazuje občutljivost in kako natančen je detektor LHCb.'
Blusk in Charles sta skupaj analizirala podatke, ki so pripeljali do tega odkritja. Obstoj dveh novih barionov je bil predviden leta 2009 kanadskih fizikov delcev Randyja Lewisa z univerze York in Richarda Woloshyna iz TRIUMF, kanadskega nacionalnega laboratorija za fiziko delcev v Vancouvru.
Gole mase vseh 6 okusov kvarkov, protona in elektrona, prikazane v sorazmernem volumnu. Zasluge: Wikipedia/Incnis Mrsi
Poleg mase teh delcev je raziskovalna skupina preučevala njihove relativne stopnje proizvodnje, njihove širine - merilo, kako nestabilni so - in druge podrobnosti njihovega razpada. Rezultati se ujemajo z napovedmi, ki temeljijo na teoriji kvantne kromodinamike (QCD).
QCD je del standardnega modela fizike delcev, teorije, ki opisuje temeljne delce snovi, njihovo medsebojno delovanje in sile med njimi. Preizkušanje QCD z visoko natančnostjo je ključno za izboljšanje našega razumevanja dinamike kvarkov, katere modele je izjemno težko izračunati.
'Če želimo poiskati novo fiziko onkraj standardnega modela, moramo najprej imeti ostro sliko,' je dejal koordinator za fiziko LHCb Patrick Koppenburg z inštituta Nikhef v Amsterdamu. 'Takšne visoko natančne študije nam bodo pomagale razlikovati med učinki standardnega modela in vsem novim ali nepričakovanim v prihodnosti.'
Meritve so bile opravljene s podatki, posnetimi na LHC v letih 2011-2012. LHC se trenutno pripravlja – po prvi daljši zaustavitvi – za delovanje pri višjih energijah in z intenzivnejšimi žarki. Ponovno se bo začela spomladi 2015.
Raziskava je bila včeraj objavljena na spletu na strežniku za predtisk fizike arXiv in so bili poslani v znanstveno revijoPisma o fizičnem pregledu.