Para fisikawan baru saja menemukan 4 partikel subatomik baru yang dapat menguji hukum alam

Bulan ini adalah waktu untuk merayakannya. CERN baru saja mengumumkan penemuan empat partikel baru di Large Hadron Collider (LHC) di Jenewa.

Artinya, LHC kini telah menemukannya Total 59 partikel baru, sebagai tambahannya Hadiah Nobel Higgs BosonSejak 2009 proton mulai bertabrakan – partikel yang, bersama dengan neutron, membentuk inti atom.

Sementara beberapa dari partikel baru ini diharapkan berdasarkan teori kami yang sudah mapan, beberapa lebih mengejutkan secara keseluruhan.

Tujuan LHC adalah mempelajari struktur materi pada jarak terpendek dan dengan energi tertinggi yang pernah dipelajari di laboratorium. Teori alam terbaik kita saat ini telah diuji: model standar fisika partikel. Dan LHC mengirimkan barang – barang itu memungkinkan bagi para ilmuwan untuk menemukan boson Higgs, bagian terakhir dari model. Meski begitu, teori tersebut masih jauh dari pemahaman sepenuhnya.

Salah satu ciri yang paling bermasalah adalah deskripsi gaya kuat yang menyatukan inti. Inti terdiri dari proton dan neutron, masing-masing terdiri dari tiga partikel kecil yang disebut quark (Ada enam jenis quark: atas, bawah, pesona, aneh, atas, dan bawah).

Jika kita mematikan gaya kuat sesaat, semua materi akan langsung larut menjadi sup quark lepas – keadaan yang ada sesaat pada permulaan alam semesta.

Jangan salah paham: Teori interaksi yang kuat, disebut pretentious “Kromodinamika kuantum“memiliki dasar yang sangat kokoh. Ini menjelaskan bagaimana quark berinteraksi melalui gaya kuat dengan menukar partikel yang disebut gluon. Anda dapat menganggap gluon sebagai analog dari foton yang lebih terkenal, partikel cahaya, dan pembawa gaya elektromagnetik.

Namun, cara gluon berinteraksi dengan quark membuat gaya kuat berperilaku sangat berbeda dari elektromagnetisme. Sementara gaya elektromagnetik melemah saat Anda memisahkan dua partikel bermuatan, gaya kuat sebenarnya menjadi lebih kuat saat Anda memisahkan dua quark.

Akibatnya, kuark selamanya terperangkap dalam partikel yang disebut hadron – partikel yang terdiri dari dua atau lebih kuark – yang mencakup proton dan neutron. Kecuali jika Anda menghancurkan mereka dengan kecepatan luar biasa seperti yang kami lakukan di Cern.

Lebih rumit lagi, semua partikel berada di dalam Model standar Memiliki antipartikel yang hampir identik dengan dirinya sendiri, tetapi dengan muatan yang berlawanan (atau beberapa properti kuantum lainnya). Akhirnya, saat Anda menarik quark dari proton, gaya tersebut cukup kuat untuk membentuk pasangan quark-antiquark, dengan quark yang baru dibuat masuk ke proton.

Pada akhirnya Anda mendapatkan proton dan “meson” baru, partikel yang terbuat dari quark dan antiquark. Kedengarannya aneh, tetapi menurut mekanika kuantum, yang mengatur alam semesta pada skala terkecil, partikel dapat melompat keluar dari ruang hampa.

Ini telah ditunjukkan diulang melalui eksperimen – Kami belum pernah melihat dadih yang kesepian. Ciri yang tidak menyenangkan dari teori gaya kuat adalah bahwa kalkulasi proses sederhana dalam elektromagnetisme tidak mungkin menjadi rumit. Kami belum bisa (belum) membuktikan secara teoritis bahwa quark tidak bisa eksis sendiri.

Lebih buruk lagi, kita bahkan tidak dapat menghitung kombinasi quark mana yang dapat bertahan di alam dan mana yang tidak.

Ilustrasi tetraquark. (CERN)

Ketika quark pertama kali ditemukan, para ilmuwan menyadari bahwa dalam teori beberapa kombinasi harus dimungkinkan. Ini termasuk pasangan quark dan antiquark (meson); tiga quark (baryon); tiga antiquark (antibaryon); dua quark dan dua antiquark (tetraquark); dan empat quark dan satu antikuark (pentaquark) – selama jumlah quark dikurangi antikuark di setiap kombinasi adalah kelipatan tiga.

Untuk waktu yang lama hanya baryon dan meson yang terlihat dalam eksperimen. Namun pada tahun 2003 dilakukan percobaan Belle di Jepang menemukan sebuah partikel yang tidak muat di mana pun. Itu ternyata menjadi yang pertama dalam barisan panjang tetraquark.

Pada 2015 percobaan LHCb dilakukan di LHC menemukan dua pentaquark.

Empat partikel baru yang baru kami temukan semuanya adalah tetraquark dengan sepasang pesona quark dan dua quark lagi. Semua objek ini adalah partikel, sama seperti proton dan neutron adalah partikel. Tetapi mereka bukanlah partikel fundamental: quark dan elektron adalah bahan penyusun materi yang sebenarnya.

Apakah pentaquark terikat kuat (di atas) atau terikat dengan lemah (lihat gambar di bawah)? ((CERN)

Partikel baru yang menawan

LHC sekarang telah menemukan 59 hadron baru. Ini termasuk tetraquark yang baru ditemukan, tetapi juga meson dan baryon baru. Semua partikel baru ini mengandung quark berat seperti “pesona” dan “tanah”.

Hadron-hadron ini menarik untuk dipelajari. Mereka memberi tahu kita apa yang dianggap alam dapat diterima sebagai kombinasi terikat quark, jika hanya untuk waktu yang sangat singkat.

Mereka juga memberi tahu kita apa yang tidak disukai alam. Misalnya, mengapa semua tetra dan pentaquark mengandung pasangan charm-quark (hanya dengan satu pengecualian)? Dan mengapa tidak ada partikel yang sesuai dengan pasangan quark aneh? Belum ada penjelasan.

Apakah pentaquark sebuah molekul? Meson (kiri) berinteraksi dengan proton (kanan). (CERN)

Misteri lainnya adalah bagaimana partikel-partikel ini terhubung satu sama lain dengan gaya yang kuat. Sebuah sekolah ahli teori menganggap mereka sebagai objek kompak seperti proton atau neutron.

Yang lain menyatakan bahwa mereka seperti “molekul” yang tersusun dari dua hadron yang terikat secara longgar. Setiap hadron yang baru ditemukan memungkinkan eksperimen untuk mengukur massa dan sifat-sifat lain yang menjelaskan tentang bagaimana gaya kuat berperilaku. Ini membantu menjembatani kesenjangan antara eksperimen dan teori. Semakin banyak hadron yang dapat kami temukan, semakin baik kami mencocokkan model dengan fakta eksperimental.

Model-model ini sangat penting untuk mencapai tujuan akhir LHC: untuk menemukan fisika di luar Model Standar. Terlepas dari keberhasilannya, Model Standar jelas bukan kata terakhir dalam memahami partikel. Itu contohnya tidak sesuai dengan model kosmologis Deskripsi penciptaan alam semesta.

LHC sedang mencari partikel fundamental baru yang dapat menjelaskan perbedaan ini. Partikel-partikel ini dapat terlihat di LHC tetapi tersembunyi di latar belakang interaksi partikel. Atau mereka bisa muncul sebagai efek mekanis kuantum kecil dalam proses yang diketahui.

Bagaimanapun, pemahaman yang lebih baik tentang gaya yang kuat diperlukan untuk menemukannya. Dengan setiap hadron baru, kami meningkatkan pengetahuan kami tentang hukum alam dan membawa kami ke deskripsi yang lebih baik tentang sifat-sifat materi yang paling mendasar.

Patrick Koppenburg, Rekan Peneliti dalam Fisika Partikel, Institut Nasional Belanda untuk Fisika Subatomik dan Harry Cliff, Fisikawan partikel, Universitas Cambridge.

Artikel ini diterbitkan ulang oleh Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Baca ini artikel asli.