In den ersten Millionstelsekunden nach dem Urknall war das Universum ein brodelndes Plasma mit einer Temperatur von Billionen Grad, das aus Quarks und Gluonen bestand – Elementarteilchen, die kurzzeitig in unzähligen Kombinationen miteinander verschmelzen, bevor sie abkühlen und stabilere Konfigurationen annehmen, um Neutronen zu bilden. und Protonen aus gewöhnlicher Materie.
Im Chaos vor der Abkühlung kollidierten einige dieser Quarks und Gluonen zufällig und bildeten kurzlebige „X“-Teilchen, die aufgrund ihrer mysteriösen, unbekannten Struktur so benannt wurden. X-Teilchen sollten extrem selten sein, obwohl Physiker spekulieren, dass sie in Teilchenbeschleunigern aus Quark-Fusionen erzeugt werden könnten, wo hochenergetische Kollisionen ähnliche Ausbrüche von Quark-Gluon-Plasma erzeugen können.
Jetzt haben Physiker Beweise für das Vorhandensein von X-Partikeln in Quark-Gluon-Plasma gefunden, das am Large Hadron Collider (LHC) am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung, in der Nähe von Genf, Schweiz, produziert wird.
Das Wissenschaftlerteam verwendete maschinelle Lerntechniken, um mehr als 13 Milliarden Schwerionenkollisionen zu testen, die jeweils Zehntausende geladener Teilchen erzeugten. In dieser superdichten Suppe hochenergetischer Teilchen konnten die Forscher etwa 100 Teilchen des Typs X isolieren, bekannt als X (3872), benannt nach der angenommenen Masse des Teilchens.
Die in Physical Review Letters veröffentlichten Ergebnisse stellen fest, dass Forscher X-Partikel zum ersten Mal in Quark-Gluon-Plasmen nachgewiesen haben, einem Medium, von dem sie hoffen, dass es Licht auf die noch unbekannte Struktur des Partikels werfen wird.
„Das ist erst der Anfang der Geschichte“, sagt der Hauptautor Yen-Jie Lee, Physikprofessor am MIT. „Wir haben gezeigt, dass wir das Signal finden können. In den nächsten Jahren wollen wir Quark-Gluon-Plasma verwenden, um die innere Struktur des X-Teilchens zu untersuchen, was unser Verständnis davon verändern könnte, welche Art von Material das Universum produziert haben sollte.“
Die Co-Autoren der Studie sind Mitglieder der CMS Collaboration, einem internationalen Team von Wissenschaftlern, das den Compact Muon Solenoid, einen der Teilchendetektoren des LHC, betreibt und Daten sammelt.
Die Grundbausteine der Materie sind das Neutron und das Proton, die jeweils aus drei eng verwandten Quarks bestehen.
„Jahrelang dachten wir, dass die Natur aus irgendeinem Grund beschlossen hat, Teilchen zu produzieren, die nur aus zwei oder drei Quarks bestehen“, sagt Yen-Jee Lee.
Erst vor kurzem haben Physiker Anzeichen exotischer „Tetraquarks“ entdeckt – Teilchen, die aus einer seltenen Kombination von vier Quarks bestehen. Wissenschaftler vermuten, dass X (3872) entweder ein kompaktes Tetraquark oder ein völlig neuer Molekültyp ist, der nicht aus Atomen besteht, sondern aus zwei schwach gebundenen Mesonen – subatomaren Teilchen, die selbst aus zwei Quarks bestehen.
X (3872) wurde erstmals 2003 im Rahmen des Belle-Experiments entdeckt, einem Collider in Japan, der hochenergetische Elektronen und Positronen zur Kollision bringt. In dieser Umgebung zerfielen seltene Teilchen jedoch zu schnell, als dass Wissenschaftler ihre Struktur im Detail untersuchen könnten.
Es wurde vermutet, dass X(3872) und andere exotische Teilchen in einem Quark-Gluon-Plasma besser beleuchtet werden können.
In ihrer neuen Studie haben Physiker nach Anzeichen von X-Partikeln im Quark-Gluon-Plasma gesucht, das durch Schwerionenkollisionen am Large Hadron Collider erzeugt wurde. Sie stützten ihre Analyse auf einen LHC-Datensatz aus dem Jahr 2018, der mehr als 13 Milliarden Bleiionenkollisionen umfasste, von denen jede Quarks und Gluonen freisetzte, die sich zerstreuten und zu mehr als einer Billiarde kurzlebiger Teilchen verschmolzen, bevor sie abkühlten und zerfielen.
„Nachdem sich das Quark-Gluon-Plasma gebildet und abgekühlt hatte, bildeten sich so viele Teilchen, dass der Hintergrund überwältigend wurde“, sagen die Wissenschaftler. „Also mussten wir diesen Hintergrund reduzieren, damit wir die X-Teilchen schließlich in unseren Daten sehen konnten.“
Dazu verwendete das Forscherteam einen maschinellen Lernalgorithmus, dem sie beibrachten, die für X-Teilchen charakteristischen Zerfallsmuster hervorzuheben. Unmittelbar nach der Bildung von Teilchen im Quark-Gluon-Plasma zerfallen diese schnell in „Tochter“-Teilchen, die auseinanderfliegen. Für Partikel X unterscheidet sich dieses Zerfallsmuster oder diese Winkelverteilung von allen anderen Partikeln.
Die Forscher identifizierten Schlüsselvariablen, die die Form des X-Partikel-Zerfallsmusters beschreiben. Sie trainierten einen maschinellen Lernalgorithmus, um diese Variablen zu erkennen, und fütterten den Algorithmus dann mit tatsächlichen Daten aus Kollisionsexperimenten am LHC. Der Algorithmus war in der Lage, einen extrem dichten und verrauschten Datensatz zu sichten, um Schlüsselvariablen auszuwählen, die wahrscheinlich das Ergebnis des Zerfalls von X-Partikeln waren.
Als Ergebnis gelang es den Physikern, den Hintergrund um mehrere Größenordnungen zu reduzieren, um ein Signal zu sehen, das auf das Vorhandensein von Partikeln X (3872) hinweist - es gab nur etwa 100 von ihnen.
„Es ist fast undenkbar, dass wir diese 100 Partikel aus einem so riesigen Datensatz isolieren können“, sagen die Forscher.
In den nächsten ein oder zwei Jahren planen Wissenschaftler, viel mehr Daten zu sammeln, die helfen sollten, die Struktur des X-Teilchens herauszufinden. Wenn das Teilchen ein fest gebundenes Tetraquark ist, sollte es langsamer zerfallen, als wenn es ein locker gebundenes Molekül wäre.
Nachdem das Physikerteam nun gezeigt hat, dass sich X-Teilchen in einem Quark-Gluon-Plasma nachweisen lassen, wollen sie dieses Teilchen mithilfe eines Quark-Gluon-Plasmas genauer untersuchen, um die Struktur des X-Teilchens zu bestimmen.
„Derzeit stimmen unsere Daten mit den beiden Szenarien überein, weil wir noch nicht genügend Statistiken haben. In den nächsten Jahren werden wir noch viel mehr Daten sammeln, um diese beiden Szenarien voneinander trennen zu können“, sagt Yen-Jee Lee. „Dies wird unser Verständnis der Arten von Teilchen erweitern, die im frühen Universum in Hülle und Fülle produziert wurden.“
Die Studie wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.
2022-02-06 19:02:35
Autor: Vitalii Babkin