(MirageC/Moment/Getty Images) Physiker haben bei der Durchsicht alter Teilchenbeschleunigerdaten Hinweise auf einen äußerst schwer fassbaren, noch nie zuvor gesehenen Prozess gefunden: eine sogenannte Dreieckssingularität.
Die Dreieckssingularität wurde erstmals in den 1950er Jahren vom russischen Physiker Lew Landau vorgestellt und bezieht sich auf einen seltenen subatomaren Prozess, bei dem Teilchen ihre Identität austauschen, bevor sie voneinander wegfliegen.
In diesem Szenario bilden zwei Teilchen – Kaonen genannt – zwei Ecken des Dreiecks, während die Teilchen, die sie vertauschen, den dritten Punkt auf dem Dreieck bilden.
„Die beteiligten Teilchen tauschten Quarks aus und änderten dabei ihre Identität“, sagte Studienmitautor Bernhard Ketzer vom Helmholtz-Institut für Strahlungs- und Kernphysik der Universität Bonn. sagte in einer Erklärung .
Verwandt: Die 18 größten ungelösten Rätsel der Physik
Man spricht von einer Singularität, weil die mathematischen Methoden zur Beschreibung subatomarer Teilchenwechselwirkungen nicht mehr funktionieren.
Wenn dieser einzigartig seltsame Austausch der Teilchenidentität tatsächlich stattfinden würde, könnte dies den Physikern helfen, das zu verstehen starke Kraft , das den Kern zusammenhält.
Den KOMPASS ausrichten
Im Jahr 2015 glaubten Physiker, die am CERN in der Schweiz Teilchenkollisionen untersuchten, einen kurzen Blick auf eine kurzlebige exotische Ansammlung von Teilchen namens Tetraquark geworfen zu haben. Aber die neue Forschung spricht für eine andere Interpretation – etwas noch Seltsameres.
Anstatt eine neue Gruppierung zu bilden, tauschten zwei Partikel ihre Identität, bevor sie losflogen. Dieser Identitätsaustausch ist als Dreieckssingularität bekannt, und dieses Experiment könnte unerwartet den ersten Beweis für diesen Prozess geliefert haben.
Das COMPASS-Experiment (Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy) am CERN untersucht die starke Kraft. Während die Kraft eine sehr einfache Aufgabe hat (das Zusammenkleben von Protonen und Neutronen), ist die Kraft selbst schwindelerregend komplex, und Physikern fällt es schwer, ihr Verhalten bei allen Wechselwirkungen vollständig zu beschreiben.
Um die starke Kraft zu verstehen, schlagen die Wissenschaftler von COMPASS Teilchen bei extrem hohen Energien in einem Beschleuniger namens Super Proton Synchrotron zusammen. Dann beobachten sie, was passiert.
Sie beginnen mit einem Pion, das aus zwei Grundbausteinen besteht, einem Quark und einem Antiquark. Die starke Kraft hält Quark und Antiquark im Inneren des Pions zusammen.
Im Gegensatz zu den anderen Grundkräfte der Natur , die mit zunehmender Entfernung schwächer werden, wird die starke Kraft stärker, je weiter die Quarks voneinander entfernt sind (stellen Sie sich die Quarks in einem Pion vor, die durch ein Gummiband befestigt sind – je mehr man sie auseinanderzieht, desto schwieriger wird es).
Als nächstes beschleunigen die Wissenschaftler das Pion auf nahezu Lichtgeschwindigkeit und schleudern es in einen Wasserstoffatom . Diese Kollision bricht die starke Kraftbindung zwischen den Quarks und setzt die gesamte aufgestaute Energie frei.
„Diese wird in Materie umgewandelt, wodurch neue Teilchen entstehen“, sagte Ketzer. „Experimente wie diese liefern uns daher wichtige Informationen über die starke Wechselwirkung.“
Vier Quarks oder ein Dreieck?
Im Jahr 2015 analysierte COMPASS eine Rekordzahl von 50 Millionen solcher Kollisionen und fand ein faszinierendes Signal. Nach diesen Kollisionen erschien in weniger als einem Prozent der Fälle ein neues Teilchen.
Sie nannten das Teilchen „a1(1420)“ und dachten zunächst, es handele sich um eine neue Gruppe von vier Quarks – ein Tetraquark. Dieses Tetraquark war jedoch instabil und zerfiel anschließend in andere Dinge.
Verwandt: 7 seltsame Fakten über Quarks
Quarks kommen normalerweise in Dreiergruppen (die Protonen und Neutronen bilden) oder in Paaren (wie die Pionen) vor, also war das eine große Sache. Eine Gruppe von vier Quarks war tatsächlich ein seltener Fund.
Aber die neue Analyse wurde im August in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung , bietet eine noch seltsamere Interpretation.
Anstatt kurzzeitig ein neues Tetraquark zu erzeugen, führten all diese Pionenkollisionen zu etwas Unerwartetem: der sagenumwobenen Dreieckssingularität.
Hier kommen die Dreiecke
Hier ist, was die Forscher hinter der neuen Analyse glauben.
Das Pion prallt auf das Wasserstoffatom und zerfällt, wobei die ganze starke Kraftenergie eine Flut neuer Teilchen erzeugt. Einige dieser Teilchen sind Kaonen, eine weitere Art von Quark-Antiquark-Paaren.
Wenn zwei Kaonen erzeugt werden, beginnen sie sehr selten, getrennte Wege zu gehen. Schließlich zerfallen diese Kaonen in andere, stabilere Teilchen. Doch zuvor tauschen sie einen ihrer Quarks untereinander aus und verwandeln sich dabei.
Es ist dieser kurze Austausch von Quarks zwischen den beiden Kaonen, der das Signal eines Tetraquarks nachahmt.
„Die beteiligten Teilchen tauschten Quarks aus und veränderten dabei ihre Identität“, sagt Ketzer, der auch Mitglied des transdisziplinären Forschungsbereichs „Building Blocks of Matter and Fundamental Interactions“ (TRA Matter) ist.
„Das resultierende Signal sieht dann genauso aus wie das eines Tetraquarks.“
Wenn man die Bahnen der einzelnen Teilchen nach der ersten Kollision grafisch darstellt, bildet das Kaonenpaar zwei Beine, und die ausgetauschten Teilchen bilden ein drittes dazwischen, sodass im Diagramm ein Dreieck erscheint, daher der Name.
Während Physiker schon seit mehr als einem halben Jahrhundert Dreieckssingularitäten vorhersagen, kommt dieses Experiment der tatsächlichen Beobachtung einer solchen am nächsten.
Es ist jedoch immer noch kein Volltreffer. Das neue Modell des Prozesses mit Dreieckssingularitäten hat weniger Parameter als das Tetraquark-Modell und passt besser zu den Daten. Es ist jedoch nicht schlüssig, da das ursprüngliche Tetraquark-Modell die Daten noch erklären könnte.
Dennoch ist es eine faszinierende Idee. Wenn es Bestand hat, wird es eine wirkungsvolle Sonde für die starke Kernkraft sein, da das Auftreten von Dreieckssingularitäten eine Vorhersage unseres Verständnisses dieser Kraft darstellt, die noch vollständig untersucht werden muss.
Verwandter Inhalt:
5 Gründe, warum wir in einem Multiversum leben könnten
Die 11 größten unbeantworteten Fragen zur Dunklen Materie
Die schönsten Gleichungen der Welt
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht von Live-Wissenschaft . Lesen Sie den Originalartikel Hier .