اولین کشف ذره X عجیب در پلاسمای کوارک گلوئون

در اولین میلیونیم ثانیه پس از بیگ بنگ، جهان توده ای از توده های متلاطم از ذرات بنیادی کوارک ها و گلوئون ها بود که در مدت زمان بسیار کوتاهی قبل از سرد شدن و تثبیت بیشتر از نوترون ها و پروتون های معمولی به ترکیبات بی شماری تبدیل شدند. ایجاد شده.

در آشفتگی پیش سرد، برخی از این کوارک ها و گلوئون ها به طور تصادفی با هم برخورد کردند و ذرات X ناپایدار را تشکیل دادند – ذرات به دلیل ماهیت مرموز و مبهم آنها به این نام نامیده می شوند. امروزه ذرات X بسیار نادر هستند، اما فیزیکدانان بر روی کاغذ نشان داده اند که این ذرات را می توان در شتاب دهنده های ذرات از طریق ادغام کوارک ها تولید کرد. جایی که برخوردهای پرانرژی می توانند پلاسمای کوارک گلوئون را برای لحظات کوتاه تولید کنند.

اکنون فیزیکدانان آزمایشگاه علوم هسته ای MIT و فیزیکدانان در جاهای دیگر شواهدی از ذرات X در پلاسمای کوارک گلوئون تولید شده در برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) در سرن (سازمان اروپایی تحقیقات هسته ای) در ژنو، سوئیس پیدا کرده اند.

تیم تحقیقاتی از تکنیک های یادگیری ماشینی برای غربالگری بیش از 13 میلیارد برخورد یونی سنگین استفاده کرد که هر کدام ده ها هزار ذره باردار تولید می کنند. در این سوپ بسیار متراکم و پرانرژی، آنها توانستند حدود 100 ذره X (3872) را شناسایی کنند – نحوه نامگذاری این ذرات به جرم تخمینی آنها بستگی دارد.

این مطالعه که نتایج آن در مجله منتشر شد، نامه های بررسی فیزیکی این اولین مطالعه ای است که ذرات X را در پلاسمای کوارک گلوئون شناسایی می کند، محیطی که دانشمندان امیدوارند ماهیت ناشناخته این ذرات را آشکار کند.

ین جی لی، استادیار فیزیک در MIT و نویسنده اصلی مقاله می گوید: «این تازه شروع کار است. ما نشان دادیم که یک سیگنال می تواند پیدا شود. ما می خواهیم در سال های آینده از پلاسمای کوارک گلوئون برای کشف ساختار داخلی ذره X استفاده کنیم. این می تواند نگاه ما به نوع موادی که جهان ممکن است تولید کند را تغییر دهد.

نویسندگان این مقاله اعضای گروه CMS هستند. یک تیم بین المللی از دانشمندان به چرخش و جمع آوری داده ها از یکی از آشکارسازهای ذرات LHC به نام Compact Muon Solenoid می پردازند.

ذرات در پلاسما

بلوک های سازنده اصلی ماده نوترون ها و پروتون ها هستند که هر کدام از یک پیوند جامد از سه کوارک تشکیل شده اند.

لی می‌گوید: «سال‌ها فکر می‌کردیم طبیعت ذرات را به دلایلی فقط از دو یا سه کوارک انتخاب کرده است.

اخیراً، فیزیکدانان نشانه هایی از “تتراکوارک”های عجیب – ذرات ساخته شده از کوارک های مرکب کمیاب را دیده اند. دانشمندان گمان می کنند که X (3872) یا یک تترا کوارک فشرده یا یک نوع کاملاً جدید از مولکول است که نه از اتم بلکه از دو مزون با پیوند ضعیف تشکیل شده است – ذرات زیر اتمی که از دو کوارک تشکیل شده اند.

X (3872) اولین بار در سال 2003 در ژاپن توسط آزمایش Belle کشف شد، یک برخورد دهنده ذره ای که الکترون ها و پوزیترون های پرانرژی را تقسیم می کند. اما در این محیط، این ذرات نادر آنقدر سریع تجزیه شدند که دانشمندان نتوانستند ساختار آنها را به طور دقیق مطالعه کنند. فرضیه فعلی این است که X (3872) و ذرات عجیب دیگر در پلاسمای کوارک-گلئون بهتر تشخیص داده می شوند.

لی می گوید: «از لحاظ نظری، مقدار کوارک ها و گلوئون ها در پلاسما به قدری زیاد است که تولید ذرات X باید افزایش یابد. اما محققان فکر می کردند که یافتن آنها بسیار دشوار است زیرا ذرات بسیار دیگری در این سوپ کوارک تولید می شود.

این واقعا یک سیگنال است!

لی و همکاران در مطالعه اخیر پلاسمای کوارک گلوئون توسط برخوردهای یونی سنگین در برخورد دهنده بزرگ هادرون در سرن. آنها تجزیه و تحلیل خود را بر اساس مجموعه داده LHC 2018 انجام دادند که بیش از 13 میلیارد برخورد یون سرب را پوشش می دهد، هر کدام کوارک ها و گلوئون ها را آزاد می کنند که پراکنده، ترکیب شده و از قبل سرد و جدا شده اند. -ذرات زنده

لی می‌گوید: «پس از تشکیل و سرد شدن پلاسمای کوارک-گلئون، ذرات زیادی تشکیل می‌شوند و پس‌زمینه پر از آن‌ها است. در نهایت، ما باید این پس زمینه را بشکنیم تا در نهایت بتوانیم ذرات X را در داده ها ببینیم.

برای انجام این کار، تیم تحقیقاتی از الگوریتم یادگیری ماشینی استفاده کرد که برای یافتن الگوی تخریب ذرات X خاص آموزش دیده بود. بلافاصله پس از تشکیل ذرات در پلاسمای کوارک گلوئون، آنها جدا شده و به ذرات “خواهر” پراکنده می شوند. این جداسازی یا الگوی توزیع زاویه ای برای ذرات X با سایر ذرات متفاوت است.

محققان به رهبری Jing Wang از MIT متغیرهای کلیدی را شناسایی کرده اند که شکل الگوی تفکیک ذرات X را تعیین می کند. آنها یک الگوریتم یادگیری ماشینی را برای شناسایی این متغیرها آموزش دادند و سپس داده های واقعی الگوریتم را از تست های تصادف LHC تغذیه کردند. از طریق داده های با چگالی بالا و پر سر و صدا، الگوریتم قادر به یافتن متغیرهای کلیدی بود که به احتمال زیاد ناشی از تجزیه ذره X است.

وانگ می‌گوید: «ما توانستیم بیش از حد پس‌زمینه را برای دیدن سیگنال پاک کنیم.

محققان روی سیگنال‌ها زوم کردند و اوج عظیمی را دیدند که نشان‌دهنده وجود ذرات X (3872) بود – در مجموع حدود 100 ذره.

لی، که چندین بررسی با وانگ برای تایید مشاهدات انجام داد، گفت: «تقریباً غیرقابل باور است که ما توانستیم حدود 100 ذره را از این مجموعه داده عظیم استخراج کنیم.

وانگ گفت: “من هر شب فکر می کردم که آیا این واقعا یک سیگنال است یا خیر.” “و در نهایت، پاسخ مثبت بود!”

در یکی دو سال آینده، محققان قصد دارند داده های بسیار بیشتری را جمع آوری کنند که می تواند به روشن کردن ساختار ذره X کمک کند. اگر یک ذره یک تتراکوارک فشرده باشد، سرعت واپاشی آن باید کمتر از یک مولکول ضعیف باشد. اکنون که تیم نشان داده است که ذرات X را می توان در پلاسمای کوارک گلوئون شناسایی کرد، هدف آنها بررسی جزئیات بیشتر ذره X با پلاسمای کوارک-گلوئون برای آشکار ساختن ساختار آن است.

لی گفت: «در حال حاضر داده‌های ما با هر دو گزینه مطابقت دارد، زیرا هنوز آمار کافی نداریم. در چند سال آینده، ما به سراغ داده های بیشتری خواهیم رفت تا بتوانیم هر یک از این دو سناریو را از هم جدا کنیم. این امر دیدگاه ما را نسبت به انواع ذراتی که به وفور در کیهان اولیه تولید شده اند، گسترش می دهد.