"Heiliger Gral" Hadron: Wissenschaftler sind nahe daran, das schwer fassbare Tetraquark-Teilchen zu entdecken

Flit, Zip, Jitter, Boom. Quarks, die winzigen Teilchen, die im Universum alles greifbar machen, bleiben den Physikern auch 53 Jahre nach dem ersten Wissen, dass diese Teilchen existieren, zutiefst geheimnisvoll. Sie springen an den Grenzen der Empfindsamkeit wissenschaftlicher Instrumente herum, werden in größere Teilchen versenkt und zerfallen in der Hälfte der Zeit, die ein Lichtstrahl benötigt, um ein Salzkorn zu überqueren, aus ihren höheren Formen in ihre einfachsten Formen. Die kleinen Kerle geben ihre Geheimnisse nicht einfach auf.

Aus diesem Grund haben Physiker mehr als fünf Jahrzehnte gebraucht, um die Existenz eines exotischen Teilchens zu bestätigen, das sie seit Beginn der Quark-Wissenschaft jagten: das massive (zumindest subatomare Teilchen), schwer fassbare Tetraquark.

Die Physiker Marek Karliner von der Universität Tel Aviv und Jonathan Rosner von der Universität Chicago haben bestätigt, dass das seltsame, massive Tetraquark in seiner reinsten und wahrsten Form existieren kann: vier Teilchen, die alle in einem einzigen, größeren Teilchen ohne Barrieren miteinander wechselwirken sie auseinander halten. Es ist stabil, fanden sie und können wahrscheinlich am Large Hadron Collider erzeugt werden, einem Teilchenzertrümmerer am Teilchenphysiklabor des CERN in der Schweiz, berichten sie in einem Artikel, der in einer kommenden Ausgabe der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht werden soll. [Jenseits von Higgs: 5 schwer fassbare Teilchen, die im Universum lauern könnten]

Halten Sie - was ist das Quark ein Quark?

Wenn Sie etwas über Teilchenphysik wissen, wissen Sie wahrscheinlich, dass alles mit Masse aus Atomen besteht. Ein tieferes Eintauchen in die Teilchenphysik würde zeigen, dass diese Atome aus subatomaren Teilchen - Protonen, Neutronen und Elektronen - bestehen. Ein noch tieferes Aussehen würde Quarks zeigen.

Neutronen und Protonen sind die häufigsten Beispiele für eine Klasse von Teilchen, die als Hadronen bekannt sind. Wenn Sie in ein Hadron hineinschauen könnten, würden Sie feststellen, dass es aus noch grundlegenderen Teilchen besteht, die eng aneinander haften. Das sind Quarks.

Wie Atome, die je nach der Kombination von Protonen und Neutronen in ihren Kernen unterschiedliche Eigenschaften annehmen, leiten Hadronen ihre Eigenschaften aus Kombinationen ihrer residenten Quarks ab. Ein Proton? Das sind zwei "up" Quarks und ein "down" Quark. Neutronen? Diese bestehen aus zwei "down" Quarks und einem "up" Quark. [Verrückte Physik: Die kühlsten kleinen Teilchen in der Natur]

(Elektronen bestehen nicht aus Quarks, weil sie keine Hadronen sind - sie sind Leptonen, Teil einer Klasse entfernter Cousins ​​von Quarks.)

"Nach oben" und "Nach unten" sind die häufigsten Geschmacksrichtungen von Quark, aber sie sind nur zwei von sechs. Die anderen vier - "Charm", "Top", "Fremde" und "Bottom" - Quarks - existierten in den Momenten nach dem Urknall und treten in Extremsituationen auf, etwa bei Hochgeschwindigkeitskollisionen in Teilchenbeschleunigern. Aber sie sind viel schwerer als Up- und Down-Quarks, und sie neigen dazu, innerhalb von Momenten ihrer Entstehung in ihre leichteren Geschwister zu verfallen.

Aber diese schwereren Quarks können lange genug dauern, um sich zu seltsamen Hadronen mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu verbinden, die stabil sind für die sehr kurze Lebensdauer der Quarks, die in ihnen herumzischen. Einige gute Beispiele: das "doppelt bezauberte Baryon" oder ein Hadron, das aus zwei Charm-Quarks und einem helleren Quark besteht; und sein Cousin, gebildet, wenn ein Hadron, das aus zwei sperrigen Bottom-Quarks und einem leichteren Quark besteht, schneller zusammenbricht als die einzelnen Fusionsreaktionen in Wasserstoffbomben. (Bemerkenswerterweise ist die Bottom-Quark-Fusion dank der kurzen Lebenszeiten schwerer Quarks militärisch nutzlos.)

Mit Farben spielen

"Der Verdacht war seit vielen Jahren, dass [das Tetraquark] unmöglich ist", sagte Karliner gegenüber Live Science.

Das liegt daran, dass physikalische Gesetze nahelegen, dass vier Quarks nicht wirklich zu einem stabilen Hadron zusammengefügt werden können. Hier ist der Grund: Genau wie in Atomen, wo die Anziehung zwischen positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen sie zusammenhält, werden auch Hadronen durch Kräfte zusammengehalten. In Atomen versuchen positive und negative Teilchen ständig, ihre Ladungen auf Null zu neutralisieren, so dass Protonen und Elektronen aneinander haften und sich gegenseitig auslöschen. [7 Seltsame Fakten über Quarks]

Quarks haben positive und negative elektrodynamische Ladungen, aber sie interagieren auch miteinander über die viel stärkere "starke" Kraft. Und die starke Kraft hat auch Ladungen, sogenannte Farbladungen: rot, grün und blau.

Jedes Quark kann eine beliebige Farbladung haben. Und wenn sie sich zusammenschließen, um Hadronen zu bilden, müssen sich all diese Anklagen aufheben. So muss zum Beispiel ein rotes Quark entweder mit einem grünen Quark und einem blauen Quark oder seinem Antimaterie-Zwilling - einem "Antiquark" mit einer Farbladung von "antired" - verbunden sein. (Dies ist Ihr Gehirn in der Quantenmechanik.) Jede Kombination einer Farbe und ihrer Anticolor oder aller drei Farben, die zusammenkleben, hat eine neutrale Farbladung. Physiker nennen diese Teilchen "weiß".

Das Tetraquark: Es ist wie eine Beziehung (in der es nicht immer funktioniert)

Also, sagte Karliner, ist es nicht schwer, sich einen Vier-Quark-Hadron vorzustellen: Einfach zwei Quarks an zwei passende Antiquarks kleben. Aber nur weil du vier passende Quarks zusammenhältst, sagt er, heißt das nicht, dass sie stabil genug sind, um einen echten Hadron zu bilden - sie könnten auseinander fliegen.

"Nur weil Sie zwei Männer und zwei Frauen in eine Wohnung bringen", sagte Karliner, "heißt das nicht, dass sie sich niederlassen und eine Kernfamilie gründen werden."

Quarks haben Masse, die Physiker in Energieeinheiten messen: Megaelektronenvolt oder MeV. Wenn sie zusammenbinden, wandelt sich ein Teil dieser Masse in die Bindungsenergie um, die sie zusammenhält, ebenfalls gemessen in MeV. (Erinnern Sie sich an Einsteins E = mc ^ 2? Das ist Energie gleich Masse-mal-der-Geschwindigkeit-von-Licht-Quadrat, die Gleichung, die diese Umwandlung regelt.)

Wenn die Masse im Vergleich zur Bindungskraft zu hoch ist, reißt die Energie der Quarks, die im Inneren des Hadron herumfliegen, das Teilchen auseinander. Wenn es niedrig genug ist, wird das Teilchen lange genug leben, damit sich die Quarks niederlassen und Gruppeneigenschaften entwickeln, bevor sie zerfallen. Eine große, glückliche Quark-Vierer-Familie muss laut Karliner eine Masse von weniger als zwei Mesonen (oder Quark-Antiquark-Paaren) haben, die zusammengeklebt sind.

Leider ist die Masse einer Quark-Familie, nachdem ein Teil ihrer Masse in eine Bindungskraft umgewandelt wurde, unglaublich schwierig zu berechnen, was es schwierig macht, herauszufinden, ob ein gegebenes theoretisches Teilchen stabil ist.

Wissenschaftler wissen seit etwa einem Jahrzehnt, dass Mesonen an andere Mesonen binden können, um Ad-hoc-Tetraquarks zu bilden, weshalb Sie vielleicht schon früher Berichte über die Existenz von Tetraquarks gesehen haben. Aber in diesen Tetraquarks wechselwirkt jedes Quark primär mit seinem Paar. In einem wahren Tetraquark würden sich alle vier gleichermaßen vermischen.

"Es ist charmant und interessant, aber nicht dasselbe", sagte Karliner. "Es ist ganz anders, wenn zwei Paare in verschiedenen Räumen eine Wohnung teilen und zwei Männer und zwei Frauen, alle zusammen mit allen ... mit allen anderen interagieren."

Aber diese Doppel-Meson-Tetraquarks liefern die Massenschwelle, die echte Tetraquarks überqueren müssen, um stabil zu sein, sagte er.

Eine Nadel in einem Heuhaufen Heuhaufen

In der Theorie, so Karliner, wäre es möglich, die Existenz eines stabilen Tetraquarks aus reiner Rechnung vorherzusagen. Aber die beteiligten Quantenmechaniken waren einfach zu schwierig, um mit einem vernünftigen Maß an Vertrauen arbeiten zu können.

Karliners und Rosners wichtigste Erkenntnis war, dass man die Masse und Bindungsenergie seltener Hadronen in Analogie zu häufigeren Hadronen, die bereits gemessen wurden, herausfinden könnte.

Erinnerst du dich an das doppelt bezauberte Baryon von früher? Und seine explosive Cousine mit den beiden Bottom-Quarks? Im Jahr 2013 begannen Karliner und Rosner zu vermuten, dass sie ihre Masse berechnen konnten, nachdem sie sorgfältig über die Bindungsenergie innerhalb von Mesonen, die aus Charm-Quarks und Anti-Harm-Quarks bestanden, nachgedacht hatten.

Die Quantenmechanik legt nahe, dass zwei verschiedenfarbige Charm-Quarks - etwa ein roter Charm und ein grüner Charm - genau die Hälfte der Energie eines Charm-Quarks und seines Antimaterie-Zwillings - eines roten Charm-Quarks und eines antiedralen Charm-Antiquarks - binden sollten. Und Wissenschaftler haben bereits die Energie dieser Bindung gemessen, also sollte die Energie von acharm-charm-Bindung die Hälfte davon sein.

Also arbeiteten Karliner und Rosner mit diesen Zahlen, und sie fanden heraus, dass das doppelt bezauberte Baryon und das doppelbödige Baryon eine Masse von 3627 MeV plus oder minus 12 MeV haben sollten. Sie veröffentlichten ihre Artikel und drängten die Experimentatoren des CERN (Europäische Organisation für Kernforschung) auf die Jagd, sagte Karliner.

Aber Karliner und Rosner boten CERN eine Straßenkarte an und schließlich kamen die CERN-Wissenschaftler dazu. Im Juli 2017 tauchten die ersten definitiv doppelt bezauberten Baryonen im Large Hadron Collider (LHC) auf. [Fotos: The World's Largest Atom Smasher (LHC)] "Die Experimentalisten waren anfangs ziemlich skeptisch", dass es möglich wäre, die doppelt bezauberten Baryonen in der realen Welt zu finden, sagte Karliner. "Es ist wie nach einer Nadel, nicht im Heuhaufen, sondern im Heuhaufen."

"Wir haben 2014 vorausgesagt, dass die Masse dieses doppelt bezauberten Baryons 3,627 MeV betragen wird, geben oder nehmen 12 MeV", sagte Karliner. "Der LHC hat 3.621 MeV gemessen, geben oder nehmen 1 MeV."

Mit anderen Worten, sie haben es geschafft.

Und weil sich ihre Berechnung als richtig herausstellte, hatten Karliner und Rosner eine Straßenkarte zum wahren stabilen Tetraquark.

Eine große, dicke, glückliche Familie

In der Quantenmechanik, so Karliner, gibt es eine allgemeine Regel, dass schwerere Quarks dazu neigen, viel enger aneinander zu binden als leichtere Quarks. Wenn Sie also ein stabiles Tetraquark finden, werden wahrscheinlich einige Quarks vom schwereren Ende des Flavour-Spektrums betroffen sein.

Karliner und Rosner machten sich an die Arbeit, sobald die zweifach bezauberte Baryonenmessung angekündigt war. Zuerst berechneten sie die Masse eines Tetraquarks aus zwei Charmquarks und zwei leichteren Antiquarks; Charm-Quarks sind schließlich ziemlich klobig, mit etwa der 1,5-fachen Masse eines Protons. Das Ergebnis? Ein doppelt entzücktes Tetraquark entpuppt sich als direkt am Rand von stabil und instabil, mit Platz für Fehler auf beiden Seiten - mit anderen Worten, zu unsicher, um eine Entdeckung zu nennen.

Aber Charm Quarks sind nicht die schwersten Quarks. Betritt das Bottom-Quark, ein wahres Monster eines Elementarteilchens, etwa 3,5 Mal so viel wie sein bezaubernder Bruder, mit einem begleitenden Sprung in der Bindungsenergie.

Füge zwei zusammen, berechnen Karliner und Rosner, zusammen mit einem Up-Antiquark und einem Down-Antiquark, und du wirst mit einem stabilen Vierer enden - der so viel von seiner Masse in bindende Energie umwandelt, dass sie 215 MeV unter dem Maximum erreichen Massenschwelle mit einer Fehlermarge von nur 12 MeV.

"Das Ergebnis ist, dass wir jetzt eine robuste Vorhersage für die Masse dieses Objekts haben, das der heilige Gral dieses Zweiges der theoretischen Physik war", sagte Karliner.

Diese Art von Tetraquark wird nicht sehr lange leben, wenn es erst einmal erschaffen ist. nach einer Zehntel Pikosekunde oder nach der Dauer eines Lichtstrahls, der eine einzelne mikroskopisch kleine Hautzelle durchquert. Es wird dann zu einfacheren Kombinationen von Up- und Down-Quarks zerfallen. Aber diese 0,1 Pikosekunden (eine Zehntel Billionstel Sekunde) sind auf der quantenmechanischen Skala ausreichend lang, um als ein stabiles Teilchen betrachtet zu werden.

"Es ist wie wenn man ein menschliches Leben mit der Bewegung der Kontinente vergleicht", sagte Karliner."Wenn man Lebewesen im Bruchteil von Sekunden hat, scheint ein menschliches Leben fast unendlich zu sein."

Weiter in die Schweiz

Der nächste Schritt, sobald ein Teilchen von Theoretikern vorhergesagt wurde, ist, dass die Experimentatoren am CERN versuchen, es in den kilometerlangen Röhren ihres Teilchenbeschleunigers, dem LHC, zu erzeugen.

Das kann vor allem wegen der spezifischen Eigenschaften von Bottom-Quarks ein zermürbender Prozess sein.

Der LHC arbeitet, indem er Protonen in großen Bruchteilen der Lichtgeschwindigkeit zusammendrückt und so genügend Energie in den Beschleuniger freisetzt, dass ein Teil davon in Masse zurückkehrt. Und ein kleiner Bruchteil dieser Masse wird sich zu seltenen Formen von Materie verdichten - wie das doppelt bezauberte Baryon.

Aber je schwerer ein Teilchen ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es im LHC entsteht. Und Bottom-Quarks sind außergewöhnlich unwahrscheinliche Kreationen.

Um ein Tetraquark aufzubauen, sagte Karliner, der LHC müsse zwei Bottom-Quarks erzeugen, die nahe genug beieinander liegen, um sie zu binden, und sie dann mit zwei Licht-Antiquarks "dekorieren". Und dann muss es wieder und wieder geschehen - bis es so oft passiert ist, dass die Forscher sich ihrer Ergebnisse sicher sein können.

Aber das ist nicht so unwahrscheinlich wie es klingen mag.

"Es stellt sich heraus, dass, wenn man bedenkt, wie man solche Dinge in einem Labor macht", sagte Karliner, "die Wahrscheinlichkeit, sie herzustellen, ist nur geringfügig weniger wahrscheinlich, als das Baryon mit zwei Bottom-Quarks und einem leichten Quark zu finden."

Und diese Jagd ist bereits im Gange.

Sobald das Zwei-Boden-Quark-Baryon entdeckt wurde, sagte Karliner - ein Ergebnis, das er in den nächsten Jahren erwarten würde - "beginnt die Uhr zu ticken" beim Auftreten des Tetraquarks.

Irgendwo da draußen im Äther ist ein Hadron, das Physiker seit 53 Jahren jagen. Aber jetzt haben sie seinen Geruch wahrgenommen.

Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel wurde aktualisiert, um die Masse der früheren doppelt bezauberten Baryon-Vorhersage des Forschers zu korrigieren. Es war 3,627 MeV, nicht 4,627 MeV.