Onderzoekers verzamelen mysterieuze en bizarre partijen

Wetenschappers van de universiteit van Osaka maakten deel uit van een deeltjesversnellerexperiment dat een vreemd, zeer onstabiel deeltje produceerde en de massa ervan bepaalde. Dit zou kunnen bijdragen aan een beter begrip van de innerlijke werking van superdense neutronensterren.

Het standaardmodel van de deeltjesfysica stelt dat de meeste deeltjes zijn opgebouwd uit groepen van slechts zes soorten fundamentele entiteiten die quarks worden genoemd. Er zijn echter nog veel onopgeloste mysteries, waaronder Λ (1405), een vreemde maar vluchtige lambda-resonantie. Eerder werd gedacht dat het een specifieke combinatie was van drie quarks – omhoog, omlaag en vreemd – en het verkrijgen van inzicht in de samenstelling zou kunnen helpen informatie te onthullen over de zeer dichte materie in neutronensterren.

Nu maakten onderzoekers van de universiteit van Osaka deel uit van een team dat voor het eerst met succes Λ (1405) heeft gesynthetiseerd door K te combineren met^– Meson en proton en bepalen hun gecombineerde massa (massa en breedte). De letter K^– Een meson is een negatief geladen deeltje dat een vreemde quark en een antiquark bevat.

Schematische weergave van de reactie die werd gebruikt om Λ (1405) te synthetiseren door een K- (groene cirkel) te fuseren met een proton (donkerblauwe cirkel), die optreedt in een deuteronkern. Krediet: Hiroyuki Nomi

Het meest voorkomende proton waaruit de materie bestaat waaraan we gewend zijn, heeft twee up-quarks en één down-quark. De onderzoekers toonden aan dat je Λ(1405) het beste kunt zien als een tijdelijke bindingstoestand voor K.^– Het meson en het proton, in tegenstelling tot de drie-quark aangeslagen toestand.

In een recent gepubliceerde studie in Natuurkundebrieven b, beschrijft de groep een experiment dat ze hebben uitgevoerd bij de J-PARC-versneller. K^– De mesonen werden afgevuurd op een deuteriumdoelwit, elk met één proton en één neutron. In een succesvolle reactie heeft A.J^– Het meson stoot het neutron uit, dat vervolgens samensmelt met het proton om de gewenste Λ (1405) te produceren. Vorming van een gebonden toestand van K^– Het meson en het proton waren alleen mogelijk omdat het neutron wat energie droeg”, zegt studieauteur Kentaro Inoue.

genaamd de oneven baryon Λ (1405) en een schematische illustratie van de evolutie van materie. Krediet: Hiroyuki Nomi

Een aspect dat wetenschappers over Λ (1405) in verwarring bracht, was de zeer lichte totale massa, ondanks het feit dat het een vreemde quark bevat, die ongeveer 40 keer zo zwaar is als de up-quark. Tijdens het experiment kon het team van onderzoekers met succes de complexe massa van Λ (1405) meten door het gedrag van de vervalproducten te observeren.

(Boven) Gemeten reactiedwarsdoorsnede. De horizontale as is de K- en protonbotsingsterugslagenergie omgezet in massawaarde. Grote reactiegebeurtenissen vinden plaats bij massawaarden lager dan de som van de massa’s van het K- en proton, wat zelf de aanwezigheid van Λ(1405) aangeeft. De gegevens gemeten door verstrooiingstheorie werden gereproduceerd (ononderbroken lijnen). (Onder) K-verdeling^– en de amplitude van protonverstrooiing. Kwadratisch komen deze overeen met de reactiedwarsdoorsnede en zijn over het algemeen complexe getallen. De berekende waarden komen overeen met de gemeten gegevens. Wanneer het reële deel (ononderbroken lijn) groter is dan nul, bereikt de waarde van het imaginaire deel zijn maximale waarde. Dit is een typische verdeling van de resonantietoestand en definieert de complexe massa. Pijlen geven het reële deel aan. Credit: 2023, Hiroyuki Nomi, pole position Λ (1405) gemeten in d (K^–n) πΣ reacties, Natuurkundebrieven b

“We verwachten dat vorderingen in dit soort onderzoek zullen leiden tot een nauwkeurigere beschrijving van de superdichte materie in het hart van[{” attribute=””>neutron star,” says Shingo Kawasaki, another study author. This work implies that Λ(1405) is an unusual state consisting of four quarks and one antiquark, making a total of 5 quarks, and does not fit the conventional classification in which particles have either three quarks or one quark and one antiquark.

This research may lead to a better understanding of the early formation of the Universe, shortly after the Big Bang, as well as what happens when matter is subject to pressures and densities well beyond what we see under normal conditions.

Reference: “Pole position of Λ(1405) measured in d(K−,n)πΣ reactions” by S. Aikawa, S. Ajimura, T. Akaishi, H. Asano, G. Beer, C. Berucci, M. Bragadireanu, P. Buehler, L. Busso, M. Cargnelli, S. Choi, C. Curceanu, S. Enomoto, H. Fujioka, Y. Fujiwara, T. Fukuda, C. Guaraldo, T. Hashimoto, R.S. Hayano, T. Hiraiwa, M. Iio, M. Iliescu, K. Inoue, Y. Ishiguro, S. Ishimoto, T. Ishikawa, K. Itahashi, M. Iwai, M. Iwasaki, K. Kanno, K. Kato, Y. Kato, S. Kawasaki, P. Kienle, Y. Komatsu, H. Kou, Y. Ma, J. Marton, Y. Matsuda, Y. Mizoi, O. Morra, R. Murayama, T. Nagae, H. Noumi, H. Ohnishi, S. Okada, Z. Omar, H. Outa, K. Piscicchia, Y. Sada, A. Sakaguchi, F. Sakuma, M. Sato, A. Scordo, M. Sekimoto, H. Shi, K. Shirotori, D. Sirghi, F. Sirghi, K. Suzuki, S. Suzuki, T. Suzuki, K. Tanida, H. Tatsuno, A.O. Tokiyasu, M. Tokuda, D. Tomono, A. Toyoda, K. Tsukada, O. Vazquez-Doce, E. Widmann, T. Yamaga, T. Yamazaki, H. Yim, Q. Zhang and J. Zmeskal, 20 December 2022, Physics Letters B.
DOI: 10.1016/j.physletb.2022.137637

The study was funded by the Japan Society for the Promotion of Science, Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology.