Top kvark-kandidater fanget ved Collider Detector på Fermilab i 1994. (Fermilab) Partikelfysikkens verden har været på gyngende grund på det seneste. I årevis har forskere gransket partikler for at sikre sig, at de regler, vi bruger til at forklare universet, holder stand – medbekymrende inkonsistente resultater.
For at føje til bestræbelsen har fysikere, der bruger Large Hadron Collider (LHC) nu målt den tungeste kendte elementarpartikel med en hidtil uset mængde præcision.
I en tiltrængt sejr forStandardmodel for partikelfysik– det sæt af regler, der forudsiger adfærden af alle partikler, der udgør vores verden – de nye beregninger kommer med en fejlmargin, der er væsentligt mindre end den forrige, hvilket giver fysikere et boost af tillid til partiklens sande masse.
Men det betyder ikke, at sagen er lukket – denne måling kan kun være starten på en dybere forståelse af, hvordan vores univers fungerer.
Den pågældende elementarpartikel kaldes top kvark , og det er den mest massive af alle kendte elementarpartikler, der bidrager til en grundlæggende del af vores forståelse af universet.
Det er vigtigt, at den får sin masse fra at koble sig sammen med det undvigendeHiggs boson. Dette partnerskab er den stærkeste kobling i denne skala, som vi kender i Standard model .
(ScienceAlert)
Også vigtigt er, hvad topkvarken henfalder til. Når den først er blevet smadret til eksistens gennem en kolliderer, kan topkvarken kun henfalde gennem svag kraft, og den henfalder til en W-boson (og normalt en bundkvark).
Hvis du er en almindelig Energyeffic-læser, genkender du muligvis W boson somcentrum for den seneste kontrovers.
Efter flere års forsøg på at stikke huller i standardmodellen har forskerefor nylig offentliggjortet overbevisende efterslæb af beviser, der tyder på, at tidligere estimater af W-bosonets masse faktisk kan være forkerte.
Hvis disse resultater bekræftes yderligere, tyder det på, at hele standardmodellen kan være forkert.
Og det er her, topkvarken kommer ind i tingene – vi kan bruge dens masse til at lave forudsigelser om både Higgs boson og W boson, så det er altafgørende at få det mest nøjagtige mål som muligt.
'Bemærkelsesværdigt nok afhænger vores viden om selve stabiliteten af vores univers af vores kombinerede viden om Higgs-boson- og topkvarkmasserne,' en pressemeddelelse fra European Council for Nuclear Research (CERN), som ledede forskningen, forklarer .
'Vi ved kun, at universet er meget tæt på en metastabil tilstand med nøjagtigheden af de aktuelle målinger af topkvarkmassen. Hvis topkvarkmassen var en smule anderledes, ville universet være mindre stabilt på lang sigt og muligvis til sidst forsvinde i en voldsom begivenhed, der ligner Stort brag .'
Selvom det kan lyde enkelt at være i stand til at 'veje' disse partikler, ligesom vi gør almindelige genstande for at finde ud af deres masse, er det faktisk ikke så nemt.
For at producere en elementær partikel såsom en topkvark smadrer fysikere subatomære partikler kendt som protoner i enheder som Large Hadron Collider. Hver kollision resulterer i, at en række andre partikler bliver spyttet ud, hvilket gør det muligt for forskere at studere disse biprodukter i et kontrolleret miljø.
Men det er stadig svært rent faktisk at observere hver partikels egenskaber. Når vi begynder at tale på disse utroligt små skalaer, træder vi ind i kvanteriget – hvor partikler bliver lidt uklare, og det er svært at præcisere, hvad deres masse er.
Der er nogle måder at omgå dette på. Den ene er at køre et eksperiment et antal gange og derefter statistisk knuse resultaterne. En anden er at bruge forskellige metoder. I dette tilfælde målte forskere direkte partiklen, mens de også udførte en måling ved hjælp af andre former for data i kombination med etableret teori (i dette tilfælde benævnt dens polmassemåling).
Ifølge forskerne er deres nye resultat 0,12 GeV mere præcist end tidligere beregninger baseret på de samme data, hvilket gør partiklen til 172,76 gigaelektronvolt (giv eller tag 0,3 af en gigaelektronvolt). Dette stemmer ganske fint overens med, hvad vi ville forvente af teorier baseret på standardmodellen, siger CERN-forskerne .
Tidligere top-kvark massemåling og usikkerhed (venstre), og de seneste målinger (højre). (CMS, LHC, CERN)
Den forbedrede nøjagtighed er takket være nye analysemetoder, som bruger flere variabler end tidligere til bedre at håndtere usikkerheder mellem målingerne.
Den seneste måling så på data fra kollisioner udført af LHC's Compact Muon Solenoid (CMS) detektor i 2016. CERN-forskerne så på fem forskellige egenskaber ved kollisionshændelser, der havde frembragt et par topkvarker. De egenskaber, de så på, er afhængige af, hvad topkvarkens masse er - og tidligere undersøgelser havde kun set på op til tre egenskaber ved begivenhederne.
Holdet kalibrerede derefter dette datasæt med ekstrem præcision for at bestemme, hvilke usikkerheder der forblev - de kunne derefter udtrække disse usikkerheder og bedre forstå dem, når de fandt ud af den bedste pasform til den endelige værdi af topkvarkmassen.
Selvom dette resultat i sig selv er et stort skridt fremad for partikelfysikken, og en foreløbig sejr for standardmodellen, siger CERN vi kan forvente endnu mere præcision, når den samme tilgang anvendes på datasættet indsamlet af CMS-detektoren i 2017 og 2018 – for ikke at nævne fremtiden,allerede slår rekorderat komme. LHC var netop tændt igen efter en tre-årig nedlukning, og erallerede slår rekorder.
Det er sikkert at sige, at med denne opdaterede massemåling og den teknik, der leverede den, er vi ved at komme endnu dybere ind i vores forståelse af de mindste aspekter af universet. Hold øje med dette rum.
Du kan læse mere om det anvendte datasæt på CERN .