Sisemine sarm

Tartu ülikooli füüsikateadlased uurivad CERNi märklauaeksperimentide abil sisemise sarmiga kvarkide tekkemehhanismi.

STEFAN GROOTE

Share this...
Share on Facebook
Facebook
Tweet about this on Twitter
Twitter

1. veebruaril saab aasta täis ajast, mil Eesti sai CERNi (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) kaasliikmeks. CERN ehk Euroopa Tuumauuringute Organisatsioon haldab maailma kõige suuremat elementaarosakeste eksperimenti ja kuna eksperimendi suurim osa, ringkiirendi nimega suur hadronite põrguti (Large Hadron Collider, LHC) on 27kilomeetrise ümbermõõduga „tööriist“, siis ei asu eksperiment laboris, vaid hoopis Šveitsile ja Prantsusmaale kuuluvas Alpide mäestikus Genfi lähendal, ja mitte maapinnal, vaid 100 meetri sügavuses.

Eesti kodanik võib õigupoolest küsida, mis kasu on temale sellest liikmesusest ja mida üldse CERNis tehakse. Vihje annab organisatsiooni nime viimane täht, mis tähendab tuuma (pr nucléaire). Aine, nagu meile koolis on räägitud, ei ole nii ühtlane, nagu esialgu tundub, vaid koosneb aatomidest, millest igaüks on üles ehitatud tuumast ja elektronidest, mis seda tuuma ümbritsevad. Peale vesinikutuuma, mida nimetetakse prootoniks, koosnevad kõik teised tuumad mitte ainult vastavalt suuremast arvust prootonitest, vaid ka neutronidest. Elementaarosakeste füüsika algab seal, kus taibatakse, et isegi prooton ja neutron pole elementaarsed, vaid on kokku pandud nn kvarkidest.

Elementaarosakeste füüsikas on viimasel sajandil järk-järgult tekkinud mudel, mis kirjeldab täpselt elementaarosakeste vastastikmõju ja seda nimetatakse standardmudeliks. Standardmudel on olnud üllatavalt edukas kirjeldamaks kõike, mis nii pisikeses mastaabis toimub, aga küsimusi on samuti palju, sest mudel ei kirjelda kaugeltki kõike, mida loodeti sellega kirjeldada. Näiteks jäi arusaamatuks, miks ilmnevad elementaarosakestel nii erinevad massid. Vt tabelit.

Peale selle ei ole võimalik mudeliga igas olukorras toime tulla, sest meetmed, mida kasutatakse mudeli rakendamiseks, ei kehti näiteks seotud olekutes, nagu need on prootonis ja neutronis. Ikka ja jälle on vaja teooria kinnitamiseks eksperimente, et vaadata, kas ennustatud efekt kirjeldab toimuvat õigesti või vajab parandamist. Selleks ongi CERNi vaja.

Elementaarosakeste massid tabelis ei ole antud grammides või milligrammides, vaid ühikutes, mis on sobilik osakestele. Üks elektronvolt (lühendatult 1 eV) on energia, mida elektron saab juurde, kui läbib vaakumis potentsiaalide vahe, mis vastab pingele üks volt (1 V). Osakeste seisumass m on Einsteini valemi E = mc2 järgi otseselt seotud massienergiaga. Massivahed on üsnagi suured, üks MeV = 106 eV ja GeV = 109 eV. Kui vaadata kvarke, siis u-, d- ja s-kvarki peetakse kergemateks kvarkideks, kuna massienergia on alla 1 GeV, aga c-, b- ja t-kvark on nimetatud raskeks kvargiks. Prootonid ja neutronid, mis sisaldavad ainult u- ja d-kvarke, käituvad ja liiguvad muidugi teistmoodi kui osakesed, mis sisaldavad üht või kaht rasket kvarki.

Tabel. Elementaarosakesed standardmudelis
Allikas: Particle Data Group [1]

 

Kui Tallinnas asuva KBFI teadlased on seotud ühe suure hadronite põrguti LHC suurema detektori CMSga, siis Tartu ülikooli füüsika instituudi teoreetilise füüsika labori elementaarosakeste füüsika väike töörühm on seotud ühe teise detektoriga. Ingliskeelne lühend AMBER kõlab eesti keeles nagu anum, millega vett kantakse. Tegemist on nn märklauaeksperimendiga, mis suuruse poolest pole palju väiksem kui CMS. Neljas detektoris – ALPHA, CMS, ALICE ja LHCb – põrkuvad vastassuunas ringis liikuvad prootonid kokku. Märklauaeksperimendis aga, mis ei ole LHCga ühenduses, vaid vanemas kiirendis SPS (ja mida kasutatakse ka LHC eelkiirendiks), suunatakse kiirendatud prootonid liikumatu märklaua pihta. Niisugused eksperimendid ei ole enam väga kombeks, sest osakeste tekitamise efektiivsus on palju väiksem kui ringkiirendis, aga teatud olukordades on märklauaeksperimentidel oma eelised. Üheks neist on sisemise sarmiga kvargi tekkemehhanismi uurimine.[2]

Mehhanismi juured peituvad kvantmehaanikas, kus Heisenbergi määramatuse printsiip lubab piisavalt lühikese aja jooksul vastu võtta määramatult energiat. Nii võib juhtuda, et väga lühikeseks ajaks on antud nii palju energiat, et tekib raske sarmkvargi ja selle antiosakese ehk antisarmkvargi paar. Joonistel on see tähistatud välguga. Matemaatiliselt on tegemist nn Focki ruumi eelmoodustiga, mis võimaldab neid osakesi pärast näha ka reaalses tekkeprotsessis.

Tekivad prootoni sugulased – sarmiga barüon Λ+c ja antisarmiga meson . Kuna rasked kvargid on jagatud võrdselt, võib niisuguseid nn lahtise sarmiga lõpposakesi leida lahkudes mis tahes nurga all prootonite kiirte telje suhtes ja seega näha ka LHCs.

Joonis 1. Lahtise sarmiga osakeste tekkemehhanism. Ülemise rea prooton on märklauas paigas ja selles tekib spontaanselt sarm-antisarmi paar. Alumise rea prooton tuleb kiirendis ja põrkub esimese prootoniga elastselt kokku. Põrke tulemusena tekivad protsessis barüon Λ+c ja meson.

Iseloomulikumad on aga kinnise sarmiga protsessid, nagu on näidatud teisel joonisel. Siin jääb sarmkvargi-antisarmkvargi paar kokku ja moodustab sarmooniumi, mis impulsi jäävuse printsiibi kohaselt liigub põhimõtteliselt kokkupõrke telje suunas – telg ei ole vaadeldav LHCs, kuna on seal hõivatud kahe siseneva prootoni kimbuga. Sarmoonium on muide ebatavaliselt nimetatud kahe töörühma poolt, kes selle osakese 1974. aastal üheaegselt avastasid ja seepärast kannab kaksiknime J/ψ.

Sarmooniumi leidmine selles protsessis ja just peaaegu paigalolekus on tähtis seepärast, et näitab selgelt sisemise sarmiga kvargi mehhanismi olemasolu.[3] Sarmoonium tekib prootonipõrkes ka siis, kui sisemise sarmiga kvargi mehhanism ei ole mängus, aga kinemaatika on sel juhul teine, sarmoonium ei ole peaaegu paigalolekus. Lahtise sarmiga variant ei ole sisemise sarmiga kvargi mehhanismi jaoks iseloomustav, sest lahtise sarmiga osakesed tekivad ka siis, kui sarmi-antisarmi paar ei ole eelmoodustatud, vaid tekib alles kokkupõrkes. Muudes protsessides ja kinemaatikates mittetekkivate osakeste ilmumist peetakse tähtsaks vahendiks efekti kinnitamisel.

Tartu ülikooli elementaarosakeste töörühma üks projekt ongi uurida protsessi kinemaatikat ja tõenäosust ning võrrelda andmetega AMBERi eelkäija COMPASSi eksperimendist.[4] Samuti on koostöös CERNi teadlastega plaanis koostada tarkvara FLUKA laiendus, mis lubab teoreetilisi ennustusi teha ka AMBERi jaoks. Sisemise sarmiga kvargi mehhanismi saab laiendada ka b-kvargi paarile, mis kannab seal mitte enam nii sarmikat nime – raske kvargi mehhanism. Kuna kvargid on koostisosakestes vangis, on raskete kvarkide füüsika alati seotud raskete koostisosakeste uurimisega ja nende teoreetiline kirjeldamine on teadlastele nõudlik ülesanne. Sisemise sarmiga kvargi mehhanism on üks neist kirjeldavatest mudelitest, mis aitab neid hoolikalt uurida.

Stefan Groote on Tartu ülikooli füüsika instituudi kaasprofessor.  

[1] R. L. Workman et al. (Particle Data Group), Prog. Theor. Exp. Phys. 2022.

[2]  Stefan Groote, Sergey Koshkarev, Production of doubly charmed baryons nearly at rest. – Eur. Phys. J. C 2017, 77, 509.

[3] Stanley J. Brodsky, Stefan Groote, Sergey Koshkarev, Resolving the SELEX–LHCb Double-Charm Baryon Conflict: The Impact of Intrinsic Heavy-Quark Hadroproduction and Supersymmetric Light-Front Holographic QCD. –  Eur. Phys. J. C 2018, 78, 483.

[4]  Andrei Gridin, Stefan Groote, Alexey Guskov and Sergey Koshkarev, Phenomenological study for the search of evidence for intrinsic charm at the COMPASS experiment. – Phys. Part. Nucl. Lett. 2020, 17, 826-833.

Kui sulle meeldis see postitus jaga seda oma sõpradega

[LoginRadius_Share]
 

Leia veel huvitavat lugemist

Värske Rõhk
Hea laps
LR
Keel ja kirjandus
Akadeemia
Kunstel
Muusika
Õpetajate leht
Täheke
TeaterMuusikaKino
Vikerkaar
Looming
Müürileht