Tag Archives: veliki hadronski sudarač čestica

Postoji li način da odvojimo kvarkove od njihovih čestica? Ako da, zar ih ne možemo sudariti u LHC – u da bi provjerili da li je string teorija ispravna ili ne?





Ne, ne možemo odvojiti kvarkove. Oni imaju zanimljivu osobinu da ako primjenite dovoljno energije na njih da ih odvojite primjeniti ćete dovoljno energije da ih spojite s drugim kvarkovima. Ono što dobijete jest da mijenjate čestice, ali nema slobodnih kvarkova. Čini se da je nemoguće dobiti kvark odvojeno od drugih kvarkova. Čak kad bi i mogli, testiranje string teorije ne bi bilo toliko lahko. Trebali bi imati predviđanje prema kojem string teorija predviđa nešto drugačije od drugih teorija, morali bi znati šta tražite. Takvu razliku bi teško bilo naći jer je najvjerojatnije nema na nivou kvarkova.

Šta se desi kada se dva snopa protona sudare gotovo brzinom svjetlosti?

Large Hadron Collider (LHC) – najveći stroj koji su ljudi ikada sagradili – specijaliziran je da baca protone jedne na druge pri gotovo brzini svjetlosti. Nova i poboljšana inačica LHC-a stvarat će energetske sudare jače nego što su ikad prije postignuti na Zemlji. To čini tako što stvara snopove protona – pozitivno nabijenih čestica u atomu – i baca ih oko petnaest milja kako bi postigli gotovo brzinu svjetlosti. Kad se protoni međusobno sastave u direktnim sudarima, eksplodiraju u vruće oblake prepuno egzotičnih subatomskih čestica:

Evo kako fizičari čine ove nevjerojatne sudare:

Prvi korak je pretvaranje vodika u protrone. Vodik je poseban element jer je jedan od najmanjih atoma i sadrži samo dvije čestice: elekrone i proton. Većina drugih čestica ima višekratnike i također imaju neutralne čestice nazvane neutronima. Zato je jednostavnije izolirati protone na ovaj način: Jednostavno upotrijebite električno polje da privučete elektrone od atoma vodika, ostavljajući samo protone. Ova zraka izoliranih protona potom se šalje ubrzano u smjeru kazaljke na satu oko divovskog tunela LHC dužine od 27 kilometara, dok se druga protonska zraka šalje u smjeru suprotnom od smjera kazaljke na satu. LHC ima niz akceleratorskih cijevi koje povećavaju brzinu protonskog snopa dok ne budu putovali samo djelić sekunde ispod brzine svjetlosti. Superohlađeni magneti usmjeravaju tunel i ponašaju se poput upravljača kako bi snopove držali na stazi.

Svaka protonska zraka sadrži 2.000 do 3.000 skupova protona, a samo jedan skup je napravljen od oko 100 milijardi protona. Prije no što se snopovi sudare, svi ti protoni stisnuti su u tok koji je manji od širine dlake.

“Čestice su toliko malene da je zadatak da ih se sudari sličan tome da se dvije igle stave 10 kilometara udaljene tako precizno da se one susretnu na pola puta”, piše CERN u svom opisu LHC.

Kad se zrake sudaraju, njihova kombinirana energija dovoljna je da se rastopi oko 550 kg bakra. LHC stvara oko 600 milijuna sudara u sekundi kada radi punom snagom. Sudari se događaju na četiri točke duž pruge od 27 km. Detektor čestica čeka na svakoj točki kako bi izmjerio sve subatomske čestice koje izbijaju iz sudara. Znanstvenici smatraju da će drugo pokretanje LHC – a otkriti čitav niz novih čestica, iza Higgsova bozona.

Tuneli LHC-a kroz koje prolaze protoni imaju uvjete slične vakuumu- u vanjskog svemira. Kada se dvije zrake sudaraju, sva ta energija upakirana u takav mali prostor vakuuma eksplodira i stvara masu u obliku subatomskih čestica (misli na Einsteinovu poznatu jednadžbu: energija je jednaka masi pomnoženoj s brzinom svjetlosti na kvadrat). Čestice koje izranjaju iz tih sudara postoje samo djelić sekunde, ali to je dovoljno vremena da detektori čestica obavljaju svoje poslove – izmjere položaj, brzinu, naboj, masu i energiju svih subatomskih čestica koje su stvorene.

Sudari su toliko visoke energije da većina čestica koje izbijaju u postojanje ostavljaju iza sebe stazu svjetla pa je moguće utvrditi njihov položaj. Većina detektora također ima snažan magnet koji uzrokuje da čestice putuju na zakrivljenom putu na temelju njihovog  električnog naboja. Fizičari također mogu izračunati masu i energiju čestica na temelju ove zakrivljene staze. Stavite sve zajedno i detektori čestica mogu ponovo stvoriti ono kako sudari izgledaju odmah nakon što se dogode. Slike poput onih od Higgsova bozona zapravo su samo računalne rekreacije staza koje čestice zauzimaju tijekom njihovog vrlo kratkog postojanja. To je gdje imamo nevjerojatne slike poput ove iz nekih od prvih sudara unutar LHC-ovog ALICE detektora čestica:

I ova iz LHC-ovih CMS detektora čestica koja pokazuje više od 100 subatomskih čestica koje su izbijale iz proton – proton sudara:

I legendarna slika Higgs bozona:

Izvor: https://www.businessinsider.com.au/what-happens-inside-a-particle-collider-2015-4

Otkriće nove čestice probudilo je deceniju staru kontroverzu u fizici.

Naučnici u Velikom Hadronskom sudaraču čestica u Švajcarskoj otkrili su uzbudljivu novu česticu – odnosno, uzbudljivu kombinaciju čestica koja neće imati sasvim isti uticaj koji je imao Higgs Boson (onaj koji zovu Božjom česticom) pre pet godina. Ali ljudi i o ovom govore, a mnogi misle o kontroverznom skupu rezultata iz starijih eksperimenata.

Čestica o kojoj govorimo je raspored tri kvarka koji se nazivaju Ξcc ++ ili “doubly charged, doubly charmed xi particle” na engleskom jeziku, otkrivena od LHCb detektora s LHC. Možda se sjećate da se jezgro atoma sastoji se od protona i neutrona. Protoni imaju dva gornja kvarka i jedan donji kvark i jednu jedinicu pozitivnog električnog naboja. Neutroni imaju jedan gornji kvark i dva teška kvara, a njihov naboj je nula. Nova xi čestica se sastoji od gornjeg kvarka i dva veoma teška kvarka, nazvana šarm kvarkovima, a njegov naboj je jednak dva.

“Proizvodimo šarm kvarkove u parovima, ali imati dva čarobna ili šarm kvarka u istoj čestici je veoma rijetka pojava”, rekao je za časopis Gizmodo fizičar Patrik Koppenburg iz Nikhefa, holandskog Nacionalnog instituta za subatomsku fiziku. Čarobni kvark čini jedan od šest mogućih kvarkova, uključujući gore, dole, šarm, čudno, na vrhu (gornji) i dno (donji) ili na engleskom up, down, charm, strange, top i bottom. Najteži je šarm, dno [takođe nazvani lepota] i vrh [takođe nazvani istina], ali vrh je verovatno previše težak da se uklopi sa drugim kvarkovima, rekao je. Drugi kvarkovi teoretski bi trebalo da se rasporede u grupe od dva, tri, četiri ili pet, ili čak u neku vrstu kvarkove tečnosti ako stvari postanu dovoljno vrele.

Međutim, “većina ovih čestica” sa tri ili više kvarkova “koja sadrže dva teška kvarka, šarm ili lepotu još nisu pronađena”, rekao je Koppenburg. “Ovo je prvi u određenom smislu.”

U izvesnom smislu, rekao je Koppenburg, jer postoji sporni rezultat još od 2002. godine, kada je saradnja SELEX-a na Fermilabu u Illinoisu objavila da su pronašli povezanu česticu pod nazivom Ξcc +, pojedinačno napunjena, dvostruko šarmantna xi čestica (to je jedan plus znak umjesto dva). Ta čestica takođe ima dva šarena kvarka, ali ima donji kvark, a ne gornji kvark kao novi Xi iz LHCb. Jedan znak plus-xi takođe ima jedan elementarni naboj, kao proton.

Koppenburg je rekao da nekoliko drugih eksperimenata nije uspelo da reprodukuje SELEX-ovu česticu. A ova nova čestica još više sumnja u otkriće SELEX-a. “Ova”, nova čestica LHCb, “je imala masu koja je tako različita od mase iz SELEX-a što čini njihovu masu malo verovatnom”, rekao je Koppenburg. Nova xi čestica teži oko 3600 MeV, ili četiri puta veća od mase protona. SELEX-ova slična, ali različita xi čestica teži oko 100 MeV manje, uprkos tome što se u sastavu razlikuje samo po veoma kaim donjim ili gornjim kvarkovima.

Ali novi CERN – ov naučni članak, koji će biti objavljen u narednom izdanju časopisa “Physical Review Letters”, ističe da su dosadašnji pokušaji rekonstrukcije xi čestice SELEX-a bili različiti tipovi eksperimenata od SELEX-a, tako da ti “nulti rezultati ne isključuju prvobitne opservacije”.

Džejms Russ, profesora fizike u Carnegie Mellon i jedan od predstavnika SELEX-a, kaže da su dvije čestice u pitanju različite i da su rezultati SELEX-a bili vrlo čisti. On stoji iz posmatrane čestice njegovog eksperimenta, ali je primetio da su rezultati LHCb svakako važni. “Imajući u vidu novu opservaciju, u određenom pravcu će se potaknuti teorija”, rekao je on, “pa je ovo definitivno važno posmatranje”.

Kada je Russ završio pregledavanje LHCb papira, rekao je Gizmodu: “Zapažanje LHCb je vrlo solidno.” Što se tiče trećih, lakših kvarkova koji su izazivali ovako veliku razliku u masi, on nije vjerovatno povezan sa razlikama koje proizilaze iz svojstava kvarkova. “Izgleda da su oba eksperimenta ispravno uradila analizu”, rekao je. “Ako su obje čestice stvarno tu, postoji teorijsko pitanje o tome kako se dva sistema šarm-čestica mogu ponašati tako različito.”

Nijedna od ovih stvari nije laka. Naučnici traže neverovatno čudne čestice koje postoje za manje od picosekunde, ili trilioniti dio sekunde. Ali pošto se kreću skoro brzinom svetlosti, one i dalje putuju nekoliko milimetara pre raspada u čestice otkrivene tragovima koje se pojavljuju u LHCb eksperimentu. Specifične čestice mogu pokrenuti okidač, omogućavajući eksperimentu da čuva podatke o događaju kako bi ih kasnije analizirali. Rekonstrukcija specifičnih tragova koje su ostavile čestice omogućavaju istraživačima da utvrde da li su otkrili xi čestice.

I ta čestica mora se pojaviti kao signal iza sve pozadinske buke koje uzrokuje druga fizika i druge čestice koje prolaze kroz detektor. U ovom slučaju, naučnici su videli “12 sigma” pouzdanost, što znači da je neverovatno verovatno da su njihova zapažanja nasumična buka koja je upravo izgledala kao nova čestica xi.

Bez obzira na ranije rezultate ranije, naučnici LHCb ističu da će ova nova čestica omogućiti bolje razumevanje fizike čestica uopšte i pomoći da se nastave rafinirati  teorije o tome šta kvarkovi rade kada se drže zajedno. “Shvatamo da u prirodi postoje komplikovanije strukture nego što smo to ranije mislili “, izjavio je za Gizmodo Sheldon Stone, fizičar fizike u Sirakuzi. Ova nova čestica xi ne može stvarno da postoji na Zemlji, osim u eksperimentima, ali verovatno je postojala odmah nakon Velikog praska kada su stvari bile mnogo vrelije i blisko povezane. Razumevanje načina na koji bi se kvarkovi mogli organizirati možda će pružili dodatni uvid u fiziku te prvobitne ere. I dok je opovrgavanje teorije uzbudljivo, čini se da ovaj novi Xi ima masu koju su teoretičare očekivali, rekao je Stone. “Ovaj put smo teoretičarke i teoretičare učinili srećnim. “[CERN]

Izvor: http://gizmodo.com/new-particle-discovery-reignites-decade-old-physics-con-1796684425