Спустя 50 лет физики подтверждают существование неуловимой квазичастицы

Благодаря кропотливой работе ученые нашли доказательства существования квазичастицы, существование которой было впервые выдвинуто в качестве гипотезы почти 50 лет назад: оддерона.

Оддерон представляет собой комбинацию субатомных частиц, а не новую фундаментальную частицу, но в некоторых отношениях он действует как частица, и то, как он вписывается в фундаментальные строительные блоки материи, делает открытие переломным моментом для физиков.

В конце концов, оддерон был обнаружен посредством подробного анализа двух групп данных, достигнув вероятности 5 сигм, которую исследователи используют в качестве порогового значения.

«Это означает, что если бы оддерона не существовало, вероятность того, что мы случайно наблюдаем подобный эффект в данных, была бы 1 из 3,5 миллионов», — говорит физик Кристиан Бальденегро из Канзасского университета.

Такие частицы, как протоны и нейтроны, состоят из более мелких субатомных частиц: проще говоря, кварки «склеены» с глюонами, несущими силу. Соединение протонов в ускорителе частиц дает нам возможность заглянуть в их внутреннее строение, насыщенное глюонами.

Когда два протона сталкиваются друг с другом, но каким-то образом переживают столкновение, это взаимодействие — тип упругого рассеяния — можно объяснить тем, что протоны обмениваются четным или нечетным числом глюонов.

Если это число четное, это работа квазичастицы померона; другой вариант — который, кажется, случается гораздо реже — это квазичастица оддерона, соединение с нечетным числом глюонов.

До сих пор ученые не могли обнаружить оддероны в экспериментах, хотя теоретическая квантовая физика предполагала, что они должны существовать.

Исследователи проанализировали обширный набор данных, полученных с ускорителя частиц Большого адронного коллайдера (LHC) в ЦЕРНе в Швейцарии и ускорителя частиц Теватрон в Фермилабе в США.

Миллионы точек данных были изучены для сравнения протон — протонных или протон-антипротонных столкновений, пока ученые не убедились, что они видели результаты — глюонное соединение с нечетным номером — что было бы возможно только в том случае, если бы оддерон существовал.

Сравнение двух типов столкновений выявило явное различие в обмене энергией — это различие свидетельствует об оддероне. Затем команда объединила более точные измерения из предыдущего эксперимента в 2018 году, который исключил некоторые неопределенности, что позволило им впервые достичь высокого уровня достоверности обнаружения.

Это открытие также помогает заполнить некоторые пробелы в современной идее квантовой хромодинамики или КХД, гипотезе о том, как кварки и глюоны взаимодействуют на минимальном уровне. Мы говорим о состоянии материи в мельчайших масштабах и о том, как все во Вселенной собирается воедино.

Более того, по словам исследователей, специализированная технология, разработанная для отслеживания оддерона, может найти множество других применений в будущем: например, в медицинских инструментах.

Хотя это исследование не дает ответов на все вопросы об оддероне и о том, как он функционирует, оно лучшее доказательство того, что он существует. Будущие эксперименты с ускорителями элементарных частиц дадут дополнительные подтверждения и, несомненно, вызовут еще вопросы.

«Поиск сигнатур оддерона — это совсем другая задача по сравнению с тем, что традиционно делается в физике элементарных частиц», — сказал Балденегро.

«Например, при поиске бозона Хиггса или топ-кварка ищут «выпуклость» над гладким распределением инвариантной массы, что уже является очень сложной задачей. Оддерон, с другой стороны, имеет гораздо более тонкие сигнатуры, а это еще более сложная задача».

Статья отправлена ​​для публикации в Physical Review Letters и доступна в виде препринта на arXiv; связанное исследование было опубликовано в European Physical Journal C.

Источники: Фото: (CERN)