Σάββατο, 19 Ιουλίου 2014

Αναπροσαρμόζεται η μάζα του top quark

Ερευνητές στο Fermilab προσδιόρισαν μια νέα τιμή για τη μάζα του top quark, του «βαρύτερου» από τα έξι γνωστά quarks. Όπως περιγράφεται στο Physical Review Letters το top quark έχει μάζα γύρω στα 174,98 γιγαηλεκτρονιοβόλτ (GeV) με μια συνολική αβεβαιότητα του 0,43%, η πιο ακριβής τιμή που αναφέρεται βασιζόμενη σε μια απλή μέτρηση. Ο προσδιορισμός της μάζας του top quark θεωρείται ένα από τα καλύτερα tests του Καθιερωμένου Προτύπου (standard model) της σωματιδιακής φυσικής, έτσι ακόμη και μια μικρή βελτιστοποίηση της τιμής που μετριέται μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιοριστούν ή να απορριφθούν θεωρίες της νέας φυσικής.

Το top quark ανακαλύφθηκε το 1995 από φυσικούς που εργάζονταν στον επιταχυντή σωματίων Tevatron του Fermilab και υπολογίστηκε πως έχει μάζα περίπου 200 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του πρωτονίου. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο η μάζα του μποζόνιου W σχετίζεται με τη μάζα του top quark και του μποζόνιου Higgs, έτσι ακριβείς μετρήσεις αυτών των σωματίων παρείχαν ένα συνεπή τρόπο ελέγχου της υπάρχουσας θεωρίας.

Παρόλο που η λειτουργία του Tevatron σταμάτησε το 2011, ερευνητές του πειράματος D0 κατάφεραν να αναλύσουν ένα μεγάλο σύνολο από δεδομένα που συλλέχθηκαν την προηγούμενη περίοδο, για να προσδιορίσουν μια περισσότερο ακριβή τιμή για τη μάζα του top quark. Τα δεδομένα προέρχονται από συγκρούσεις πρωτονίων-αντιπρωτονίων που παρήγαγαν ζεύγη από top quarks, τα οποία τελικά διασπόνται σε λεπτόνια (όπως ηλεκτρόνια ή μιόνια) και πολλαπλούς «πίδακες» quarks. Όπως και στις προηγούμενες μετρήσεις, οι ερευνητές του πειράματος D0 ανάλυσαν τις ορμές αυτών των λεπτονίων και των πιδάκων για να προσδιορίσουν τη μάζα του top quark. Όμως, αυτή τη φορά, εξέτασαν μεγαλύτερο από διπλάσιο αριθμό των αρχικών συγκρούσεων και εφάρμοσαν νέες προηγμένες μεθόδους ανάλυσης για να μειώσουν τις αβεβαιότητες. Η τιμή που αναφέρουν για τη μάζα του top quark είναι περίπου 1,6 GeV (1%) υψηλότερη από την τρέχουσα τιμή του παγκόσμιου μέσου όρου και-αν και βασίζεται σε μια μέτρηση-έχει παρόμοια αβεβαιότητα.

Παρασκευή, 4 Ιουλίου 2014

Τα γλουόνια συνεισφέρουν στο spin του πρωτονίου

Το spin του πρωτονίου διαμορφώνεται από τα συστατικά που το αποτελούν, τα quarks και τα  γλουόνια (gluons). Απροσδόκητα, σε πειράματα το 1980, αποκαλύφθηκε ότι η συνεισφορά από τα εγγενή spins των quarks ήταν μικρή. Αυτή η «κρίση του spin του πρωτονίου», όπως ονομάστηκε, παρέμενε άλυτη. Όμως μια νέα ενδελεχής ανάλυση δεδομένων από τη διασπορά των πρωτονίων, αποκάλυψε το πρώτο καθαρό στοιχείο ότι η πόλωση του spin του γλουονίου δεν είναι μηδέν. Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο Physical Review Letters, φανερώνουν ότι τα γλουόνια μπορεί να έχουν σημαντικό ρόλο στο spin του πρωτονίου.

Το πρωτόνιο είναι ένα σωμάτιο με spin ½ που διαμορφώνεται από τα τρία quarks που συγκρατούνται από τα γλουόνια, τα οποία είναι οι φορείς της ισχυρής πυρηνικής δύναμης. Τα quarks έχουν spin ½ και έτσι οι φυσικοί αρχικά υπέθεσαν ότι δυο από τα quarks βρισκόταν σε αντίθετη διευθέτηση, με αποτέλεσμα να ακυρώνονται τα δυο spins και έτσι καθώς το άλλο βρίσκεται μόνο του έδινε το spin στο πρωτόνιο. Ωστόσο, σε μετρήσεις σε συγκρούσεις μιονίων-πρωτονίων, βρέθηκε ότι μόνο το ¼ από το spin του πρωτονίου προέρχεται από τα spins των quarks. Το υπόλοιπο πρέπει να προέρχεται από τα spins των γλουονίων και (ή) τις τροχιακές κινήσεις των quarks και των γλουονίων το «εσωτερικό» του πρωτονίου.

Για να προσδιορίσουν τη συνεισφορά από τα γλουόνια, τα οποία έχουν spin 1, οι φυσικοί μέτρησαν την πιθανότητα ένα γλουόνιο με ορισμένη ορμή να ευθυγραμμίζεται ή να πολώνεται σε σχέση με το spin του πρωτονίου. Σε προηγούμενες παρατηρήσεις συγκρούσεων μεταξύ πρωτονίων, στον Σχετικιστικό Συγκρουστήρα Βαρέως Ιόντος (Relativistic Heavy Ion Collider-RHIC), βρέθηκε η πόλωση γλουονίων για μέτριες τιμές ορμών να είναι κοντά στο μηδέν. Ωστόσο, χρησιμοποιώντας πρόσφατα δεδομένα από τον RHIC, ο Daniel de Florian από το Πανεπιστήμιο του Μπουένος Άιρες στην Αργεντινή και οι συνάδελφοί του βρήκαν μη-μηδενική πόλωση γλουονίων. Χρειάζονται ακόμη περισσότερα δεδομένα στις χαμηλές ορμές αλλά η πρόσφατη καλή εφαρμογή των δεδομένων οδηγεί στην πρόταση ότι το μισό του spin του πρωτονίου προέρχεται από τα spins των γλουονίων.

Περίληψη του άρθρου και σχετικά γραφήματα, στη διεύθυνση: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.012001

Πηγή: APS