Нові відкриття Великого адронного колайдера кидають виклик старим теоріям

Вимірювання в рамках співпраці LHCb розширюють наукове розуміння того, як окремі кварки збираються, щоб утворити спостережувану матерію.

Дослідження, проведені на Великому адронному колайдері, показали, що кварки, основні компоненти видимої матерії, утворюють складні частинки по-різному залежно від умов навколишнього середовища. Це відкриття ставить під сумнів поширене раніше переконання, що виробництво баріонів з кварків є рівномірним, вказуючи на потребу в переглянутих теоретичних моделях для пояснення утворення матерії при змінній щільності.

Кварки: будівельні блоки матерії

Кварки — це основні частинки, що утворюють видиму матерію у Всесвіті. Найбільш інтригуючою і найбільш загадковою властивістю кварків є те, що вони ніколи не зустрічаються окремо. Натомість їх можна спостерігати лише всередині складних частинок, таких як протони.

Фізики-ядерники використовують гігантські прискорювачі частинок для виробництва різних типів кварків і вивчають, як вони еволюціонують, утворюючи спостережувані частинки. Групи з трьох кварків утворюють складні частинки, які називаються баріонами (такі як протони та нейтрони), а пари кварків утворюють мезони. Нові вимірювання під час експерименту Large Hadron Collider Beauty (LHCb) показують дивовижні варіації у швидкості утворення баріонів, що суперечить попереднім очікуванням.

Розуміння баріонів і мезонів

Атомні ядра, що утворюють всю видиму матерію, складаються з баріонів (зокрема, протонів і нейтронів), які, на думку вчених, утворилися в ранньому Всесвіті. Баріони всередині ядер є стабільними частинками, які не піддаються радіоактивному розпаду. Проте всі мезони нестабільні, і вони швидко розпадаються на більш легкі частинки, які не можуть утворювати атоми.

Отже, існування стабільних баріонів проти нестабільних мезонів робить можливим існування атомів і Всесвіту, якими ми його знаємо. Експеримент LHCb показав, що швидкість утворення кварків у баріони проти мезонів сильно залежить від щільності їхнього середовища. Це відкриття допомагає пояснити створення перших стабільних частинок у ранньому Всесвіті.

Роль сильної взаємодії

Той факт, що кварки повинні бути обмежені, є визначальною особливістю сильної взаємодії, як це описано в теорії квантової хромодинаміки (КХД). Розрахунки з використанням КХД можуть передбачити загальну кількість важких донних кварків, що утворюються в результаті зіткнень частинок, але не можуть описати частку, яка виникає у вигляді баріонів, а не мезонів. Як правило, дослідники налаштовують моделі відповідно до даних попередніх експериментів із зіткненнями електронів із позитронами, припускаючи, що швидкість утворення баріонів універсальна.

Наслідки зіткнень високої щільності

Важливою відмінністю цього нового дослідження від попередніх експериментів є те, що зіткнення протонів і/або ядер на Великому адронному колайдері створюють середовище з набагато вищою щільністю кварків.

У цьому дослідженні фізики-ядерники з експерименту LHCb виявили, що кількість баріонів, що містять b-кварки, залежить від середовища після зіткнень і збільшується з більшою густиною частинок. Це показує, що припущення вчених про універсальність утворення баріонів є неправильним і що взаємодія між утвореними кварками під час їх еволюції у видиму речовину впливає на те, скільки баріонів виникає.

Ці нові результати доводять, що необхідні додаткові теоретичні механізми для створення баріонів у щільних системах зіткнень, що могло бути особливо важливим, коли перші протони були сформовані в ранньому Всесвіті.