Ученые обнаружили три новых примера очень экзотической формы материи, состоящей из кварков. Они могут дать представление о ранней Вселенной.
Ключевые выводы
- Физики, занимающиеся элементарными частицами, обнаружили новые примеры экзотических форм материи, известных как тетракварки и пентакварки.
- Как следует из их названия, они состоят из компонентов, называемых кварками (и антикварками), которые являются частью Стандартной модели физики элементарных частиц.
- Изучение этих частиц помогает нам понять сильное ядерное взаимодействие внутри атомов, а также дает нам представление о ранней Вселенной.
Ученые, работающие в лаборатории CERN, недавно объявили об открытии экзотической материи, не встречающейся в природе: два разных «тетракварка» и «пентакварк», все они были созданы в результате столкновений между парами столкнувшихся друг с другом протонов. со скоростями, очень близкими к скорости света. Энергия этих столкновений буквально превращается в эти экзотические частицы, процесс, управляемый знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc2. Они обеспечат новый метод изучения силы который связывает центры атомов вместе.
Что такое кварки?
Кварки были предложены в 1964 году американским физиком Мюрреем Гелл-Манном как решение большой проблемы того времени. С конца 1940-х до начала 1960-х физики открыли сотни частиц с ошеломляющим разнообразием масс, электрических зарядов, времени жизни и способов взаимодействия частиц. Было обнаружено так много разных частиц с таким разнообразным диапазоном свойств, что исследователи в то время называли зверинец «зоопарком частиц». На момент открытия эти частицы были самыми маленькими из известных объектов.
Гелл-Манн преодолел замешательство, когда понял, что частицы зоопарка не являются самыми маленькими объектами в природе. Скорее обитатели субатомного зоопарка были сделаны из еще более мелких частиц: кварков. Первоначальная идея Гелл-Манна заключалась в том, что существуют три типа кварков, которые он назвал верхним кварком, нижним кварком и странным кварком.
Самые тяжелые частицы, известные в то время, представляли собой комбинации трех кварков. Например, знакомый нам протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, а нейтрон состоит из одного верхнего и двух нижних. Название этих тяжелых частиц - барионы, от греческого слова barus («тяжелый»).
Частицы средней массы называются мезонами, от слова mesos («средний»). Мезоны состоят из кварка и кварка антивещества. Самый распространенный мезон называется пи-мезон («пион»), и один конкретный пион состоит из верхнего кварка и нижнего кварка антивещества. Самые легкие частицы, называемые «лептонами» (от греческого leptos («свет»), представляют собой совершенно другой класс частиц и не содержат кварков. Наиболее известен электрон.
Хотя кварковая теория объяснила большую часть известного зоопарка частиц, она также предсказала существование частиц, которые еще не наблюдались, когда теория была предложена, например, «омега-барион», состоящий из три странных кварка. (Однако теория была подтверждена несколько месяцев спустя, когда был открыт омега-барион.) Кварки являются частью Стандартной модели физики элементарных частиц, которая общепринята в научном сообществе.
Хотя Гелл-Манн первоначально предположил, что существует только три кварка, ученые теперь открыли в общей сложности шесть. Их имена верх, низ, очарование, странность, верх и низ. За последние полвека исследователи открыли большинство возможных способов, которыми они могут объединяться по три одновременно, или в виде пары кварков и кварков антиматерии.
Не только трио, но и квартеты и квинтеты
Однако в оригинальной статье Геллмана он не ограничивал возможные конфигурации кварков только барионами из трех кварков и мезонами в паре кварк-антикварк. Он также постулировал четырехкомпонентный «тетракварк» (состоящий из двух кварков и двух антикварков) и пятикомпонентный «пентакварк» (состоящий из четырех кварков и антикварка). Поиски этих частиц в течение многих лет были безуспешными, но в последнее время иногда обнаруживаются частицы-кандидаты.
В последние несколько лет эксперимент в лаборатории CERN под названием LHCb пытался найти ранее неизвестные частицы. Его недавно объявленное открытие относится не к совершенно новому классу материи - в конце концов, было известно, что существует несколько тетракварков и пентакварков, - а скорее к новым вариантам.
Две частицы являются тетракварками. Один из них состоит из очарованного кварка, верхнего кварка, нижнего антикварка и странного антикварка; другой состоит из очарованного кварка, нижнего кварка, верхнего антикварка и странного антикварка.(Примечание: антикварки обозначаются чертой над буквой.)
Другая новая частица - пентакварк, состоящий из очарованного кварка и его антикварка в сочетании с верхним, нижним и странным кварком. Это первый пентакварк, содержащий странный кварк.
Значение экзотической материи
Итак, каково значение открытия новых примеров очень экзотических форм материи? Это позволяет нам лучше понять природу сильного ядерного взаимодействия в экстремальных условиях. (Сильное ядерное взаимодействие отвечает, среди прочего, за удержание атомных ядер вместе.)
Это также имеет значение для нашего понимания эволюции очень ранней Вселенной. Вскоре после Большого взрыва Вселенная была настолько горячей, что кварки свободно бродили по ней и не были захвачены более крупными частицами. Примерно через одну миллионную долю секунды после Большого взрыва Вселенная достаточно остыла, чтобы сильное ядерное взаимодействие начало собирать кварки внутри протонов и нейтронов, из которых состоит космос, но во время перехода должно было собраться также тетракварки и пентакварки.. Хотя эти первичные частицы давно распались, полное объяснение происхождения Вселенной потребует понимания тетракварков и пентакварков.