Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev Tomi Živko 27. oktobra 24 odkritje pentakvarka je sprožilo močno teoretično in eksperimentalno aktivnost predstavil bom razvoj dogodkov po približno kronološkem zaporedju pomen osebne iniciative v znanosti pomen naključja v znanosti 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 1) Tomi Živko
Odkritje Θ + Skupina LEPS je preučevala interakcije visokoenergijskega fotona z atomskim jedrom. γn nk + K Gibalno količino nevtrona so določili na podlagi ohranitve gibalne količine. Uporabili so metodo manjkajoče mase ter korekcijo zaradi Fermijevega gibanja nevtrona. M(proton)=.94GeV/c 2 =94MeV/c 2 (a) shema interakcije, masa (nk + ) (GeV) 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 2) Tomi Živko
Odkritje Θ + izmerjena širina masne porazdelitve je rezultat konvolucije naravne širine Γ in eksperimentalne masne ločljivosti T = h/γ izmerjena širina za Θ + se sklada z eksperimentalno ločljivostjo (2 MeV/c 2 ) sklep: Γ < eksperimentalna masna ločljivost, Θ + je relativno dolgoživeči delec 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 3) Tomi Živko
Odkritje Θ + O odkritju Θ + nk + so poročali: Nature, New Scientist, CERN Courier, Physical Review Letters,... New York Times, The Economist, Le Figaro, Die Welt, Izvestija,.. Tipično časopisno poročilo: The object detected by the team of physicist Takashi Nakano is made up of four quarks and an antiquark. The result has delighted Russian physicists Diakonov, Petrov and Polyakov who predicted the mass of the particle in 1997. Frank Wilczek (Nobelova nagrada 24): This is really a milestone in physics. AIP: Eno od treh najbolj pomembnih odkritij v letu 23. 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 4) Tomi Živko
Odkritje Ξ Skupina NA49 je raziskovala trke visokoenergijskega protona z atomskim jedrom. Pri takih dogodkih nastane veliko število delcev. Preučevali so masne korelacije parov Ξ π, Ξ π +, Ξ + π in Ξ + π +. seštevek masnih spektrov masa (Ξ )=1862 MeV/c 2 odkrili družino delcev različnih nabojev (I=3/2) izmerjeno širino (17 MeV/c 2 ) lahko pojasnimo z eksperimentalno masno ločljivostjo 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 5) Tomi Živko
Odkritje Θ C Eksperiment H1 je opazil Θ C D p. (b) masa D p Izmerjeno širino (12 MeV/c 2 ) lahko pojasnimo z eksperimentalno masno ločljivostjo. 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 6) Tomi Živko
Teorija: grobi pregled s teorijo močne interakcije opisujemo: protone, nevtrone, kaone, pione,... teorija močne interakcije (QCD) vsebuje kvarke (u,d,c,s,t,b) in gluone ter njihove medsebojne interakcije računi so prezapleteni za analitično reševanje pomagamo si z numeričnim reševanjem problemov (QCD na mreži) ali z bolj preprostimi modeli: kvarkovski modeli, solitonski modeli,... v kvarkovskih modelih: barioni (S=1/2, 3/2,...) so sestavljeni iz treh kvarkov p = uud, n = udd,... mezoni (S=,1,...) so sestavljeni iz kvarka in antikvarka K + = u s, KS je mešanica d s in s d,... delce, ki jih ne moremo pojasniti kot q q ali qqq imenujemo eksotična stanja. 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 7) Tomi Živko
Teorija: grobi pregled Murray Gell-Mann (Nobelova nagrada 1969) je v svojem prvem kvarkovskem članku poleg stanj q q in qqq napovedal še eksotična stanja qq q q in qqqq q. Na IJS že vrsto let potekajo teoretične raziskave dibarionov (qqqqqq) in tetrakvarkov (qq q q). Čeprav QCD ne prepoveduje eksotikov, so bila vsa eksperimentalna iskanja zaman. Review of Particle Properties (1986) o pentakvarkih (qqqq q): The general prejudice against baryons not made of three quarks and the lack of any experimental activity in this area make it likely that it will be another 15 years before the issue is decided. (Λ(152) pk ) = (Λ(152) uudsū) = (Λ(152) = uds) (Θ + nk + ) = (Θ + udd u s) = (Θ + = uudd s) Minimalna kvarkovska sestava Θ + je uudd s Θ + je manifestno eksotičen delec. Podobno velja tudi za Ξ in Θ C. To je bil razlog zaradi katerega so dnevni časopisi poročali o odkritju Θ +. 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 8) Tomi Živko
Razpadni kanali Θ + delec s kvarkovsko sestavo uudd s lahko razpade v nk + in pk S v končno stanje pk S lahko razpade tudi delec s kvarkovsko sestavo uus (Σ+ ) v končno stanje pk S lahko razpadeta pentakvark (Θ+ ) ter običajni barion (Σ + ) razlog: KS je mešanica d s in s d Θ + je ozek (Γ < 2 MeV), Σ + je širši (Γ > 4 MeV) Velika večina eksperimentov lahko išče Θ + pks. Detekcija nevtronov zahteva specializirane eksperimente, le redki detektorji lahko iščejo Θ + nk +. 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 9) Tomi Živko
Odziv stroke odkritje Θ + je sprožilo plaz teoretičnih in eksperimentalnih raziskav med 3 najbolj citiranimi članki iz področja fizike osnovnih delcev, objavljenimi v letih 23 in 24, je 15 člankov, ki se ukvarjajo s pentakvarki Eksperimentalci so začeli iskati Θ + pri drugih reakcijah Θ + pk S druge kandidate za pentakvarke Rezultati eksperimentalnih raziskav so bili: Θ + so našli v reakcijah, ki so jih sprožili γ, e, K, p, ν na atomskih jedrih še 11 eksperimentalnih potrditev za Θ + v razpadnih kanalih nk + in pks poleg tega še: Ξ (NA49), Θ C (H1) 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 1) Tomi Živko
Θ + pk S, eksperiment HERMES Iskali so Θ + pk S, Θ++ pk +, Λ(152) pk. Θ + je ozek (Γ < 2 MeV), Σ + je širši (Γ > 4 MeV) masa (pk S) (GeV/c 2 ) 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 11) Tomi Živko
Θ ++ pk +, Λ(152) pk, eksperiment HERMES Če obstaja Θ ++ = izospin Delec Λ(152), ki razpada v pk je zanimiv zaradi podobnosti v masi, razpadnem kanalu in eksperimentalni sprejemnosti z Θ + napovedi teoretičnih modelov za razmerje Θ + /Λ(152) masa (pk, pk + ) (GeV/c 2 ) Θ+ Λ(152) 1.6 3.5 Θ ++ ne obstaja = izospin(θ + ) = 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 12) Tomi Živko
Rezultati eksperimentov, ki vidijo Θ + Pri dvanajstih eksperimentih so rekonstruirali Θ + v interakcijah visokoenergijskih žarkov (γ, ν, e, K, p) in atomskih jeder. rdeče: Θ + nk + M=1542 ± 3 MeV/c 2 modro: Θ + pks M=1532 ± 1 MeV/c2 M = 1 ± 3 MeV/c 2 152 154 156 158 16 statist. signifikanca vsake posamezne meritve je tipično 5 σ slabo medsebojno ujemanje meritev v kanalu Θ + pk S Γ < 2 MeV Θ + /Λ(152) 1 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 13) Tomi Živko
Rezultati eksperimentov, ki vidijo Θ + Posebnosti: gre za manjše raziskovalne skupine le CLAS, ZEUS in HERMES so veliki eksperimenti 4 eksperimenti (od 12) uporabljajo meglične komore Kritika: zelo ostri rezi pri izbiri dogodkov motivacija in posledice teh rezov so zelo skopo razloženi podcenjeno ozadje pod signalom za Θ + večina eksperimentov ni objavila preseka za tvorbo Θ + v člankih primanjkujejo pomembni podatki V RPP (24) je Θ + dobil oznako *** (existence ranges from very likely to certain). Maksimum je ****. 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 14) Tomi Živko
Teoretične raziskave Teoretiki so pospešili delo na računanju osnovnih lastnosti (masa, širina, spin, parnost) pentakvarkov. problemi: majhna širina, majhna masa dejstvo: Γ(Θ + ) < 2 MeV preprosti modeli sugerirajo J P = 1 2 in Γ(Θ + ) > 1 MeV/c 2 Napovedi teoretičnih modelov: QCD na mreži: J P = 1 2 prevelika širina model nekoreliranih kvarkov: J P = 1 2 prevelika masa, prevelika širina dikvarkovski modeli: + J P = 1 2 išče se notranja zgradba Θ +, ki bi zavirala razpad. Potrebno je fino uglaševanje parametrov modela. Napoveduje podobna stanja, ki jih eksperimentalci ne vidijo. 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 15) Tomi Živko
Teoretične raziskave kiralni solitonski model: Diakonov, Petrov in Polyakov so leta 1997 napovedali Θ + (153), Γ(Θ + ) < 15 MeV, Ξ (27) in J P = 1 2 +. Kritika: preveč svobodna izbira parametrov modela fundamentalna utemeljenost modela, konsistentnost pristopa? napoveduje podobna stanja, ki jih eksperimentalci ne vidijo izraz za Γ je zelo občutljiv na detajle modela računska napaka pri izračunu širine (M 1 /M 2 M 2 /M 1 ) = (3 MeV 15 MeV) napoved za širino se je zelo spreminjala: Γ = 15, 3, 4, 5 MeV današnje ocene: 1432 MeV/c 2 < M(Θ + ) < 1657 MeV/c 2 3.6 MeV < Γ(Θ + ) < 11 MeV 1786 MeV/c 2 < M(Ξ ) < 197 MeV/c 2 Najboljša reakcija za iskanje Θ + nk + je sipanje nk + nk +. V RPP so našli podatke samo za M(nK + ) > 16 MeV/c 2. Na neki konferenci je Diakonov prepričal Takashija Nakana naj poišče Θ +. Uspešen primer osebne iniciative v znanosti. 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 16) Tomi Živko
Eksperiment HERA-B 4 eksperimenti na protonskem shranjevalnem obroču HERA energija protona je 92 GeV/c 2 HERA-B (p-a, s = 41.6 GeV/c 2 ) in HERMES (e-d) sta eksperimenta s fiksno tarčo H1 in ZEUS: trki e-p HERMES in ZEUS vidita Θ + p K S H1 vidi Θ C D p 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 17) Tomi Živko
Eksperiment HERA-B Top View Target Wires Proton Beam VDS high-pt Magnet RICH ECAL ITR OTR 25 mrad TRD Al Beam Pipe 22 mrad MUON m 5 1 15 2 različne tarče (C, Ti, W) sledenje nabitim delcem: VDS, glavni sledilni sistem magnet: R Bdz = 2.13 Tm odlična identifikacija delcev: - RICH - nabiti delci - ECAL - e - MUON - µ Prednosti eksperimenta HERA-B: obilica eksperimentalnih podatkov (2 M dogodkov) natančen detektor verteksov (VDS), dobra masna ločljivost zelo zanesljiva identifikacija delcev z detektorjem Čerenkovih obročev (RICH) 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 18) Tomi Živko
Eksperiment HERA-B Ilustracija dobrega delovanja detektorja VDS in sledilnega sistema je rekonstrukcija delcev KS, Λ in Λ, ki razpadejo.5 m od mesta nastanka. Detektor VDS je omogoc il uporabo topoloških posebnosti teh razpadov, zato razpadnih delcev niti ni bilo treba identificirati. KS π + π Λ(1116) pπ Λ (1116) p π +.3 Λ KS.2 KS 3 1 counts pt (GeV/c) x 1 Λ.1 Λ Λ + - e e -1 -.5 cut p+l - pl p+l + pl-.5 1.45.5 1.95 1.115 1.95 Mass, GeV/c2 1.115 1.135 masni spektri za KS, Λ(1116) in Λ (1116) 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 19) Tomi Živko
Cerenkov angle (mrad) Eksperiment HERA-B 6 55 e 5 π 45 K 4 p 35 3 25 2 1 2 3 4 5 6 7 particle momentum (GeV/c) (c) delovanje števca RICH, Λ(152) Moc an test zmogljivosti števca RICH je rekonstrukcija Λ(152) pk. Oba nabita delca (p, K ) morata biti identificirana. Vrednosti mase in naravne širine za Λ(152) se odlic no ujemata z znanima vrednostima. 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 2) Tomi Živko
Iskanje Θ + pk S Θ + /Λ(152) 1 = pričakuje se visok in ozek vrh za Θ + counts / 3 MeV/c 2 B dσ/dy, µb/c counts / 5 MeV/c 2 1 5 1 5 2 a) b) c) mult < 1 p + C p + C d) mult < 1 + K - all targets 1.4 1.475 1.55 1.625 1.7 pk S mass, GeV/c 2 Dobili smo rezultate za zgornje meje @ 95% C.L. Br dσ/dy y= za Θ + (153) < 3.7 µb/nukleon Θ+ Λ(152) < 2.7% (dva velikostna reda manjše od eksperimenta HERMES, ter en velikostni red manjše od napovedi modelov statistčne hadronizacije) Θ+ Λ(1116) <.92% 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 21) Tomi Živko
Iskanje Ξ Ξ π Sposobnost rekonstrukcije signala za razpad Ξ Ξ π smo dokazali z rekonstrukcijo razpada Ξ (153) Ξ π +. 6 5 4 1 8 6 7 6 5 4 3 2 1 4 2 3 2 1 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 (d) Ξ in Ξ + (levo), Ξ (153) (sredina) in Ξ (153) (desno) Vrednosti mas (Ξ in Ξ ) in naravne širine (Ξ ) se odlično ujemajo z znanimi vrednostmi. 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 22) Tomi Živko
Iskanje Ξ Ξ π Ξ /Ξ (153) 1/3 (NA49) = pričakuje se visok in ozek vrh za Ξ Primerjava med HERA-B (ogljikova tarča, levo) in NA49 (desno) 6 Ξ - π - counts / 3 MeV/c 2 4 2 Ξ - π + Ξ + π - Ξ + π + 1.4 1.6 1.8 2 2.2 mass, GeV/ c 2 masa (Ξπ) (GeV/c 2 ) 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 23) Tomi Živko
Search for Ξ Ξ π Primerjava med HERA-B (ogljikova tarča, levo) in NA49 (desno) Dobili smo rezultate za zgornje meje @ 95% C.L. Br dσ/dy y= za Ξ (1862) < 2.5 µb/nukleon. Ustrezne zgornje meje v kanalih Ξ π +, Ξ+ π + in Ξ + π so 2.3,.85 in 3.1 µb/nukleon. Podobno, Ξ Ξ < 3/Br% Ξ Ξ (153) < 4/Br% (v nasprotju z NA49) 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 24) Tomi Živko
Eksperimenti z negativnimi rezultati V letu 24 je kar nekaj visokoproračunskih eksperimentov predstavilo rezultate, ki ne podpirajo obstoja pentakvarkov. Med njimi so HERA-B, BES, WA89, ALEPH, BaBar, CDF, BELLE. Ti eksperimenti so postavili ostre zgornje meje na presek za tvorbo pentakvarkov, ter na razmerja med preseki za tvorbo pentakvarka in običajnih delcev. Zanimivost: Eksperiment CDF (odkrili kvark top leta 1994), ki obratuje na največjem svetovnem pospeševalniku, se je angažiral v raziskavah, ki so jih spodbudili (med ostalimi) stari eksperimenti z meglično komoro. Detektor CDF tehta 5 ton, velikost meglične komore je 1-2 m. 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 25) Tomi Živko
Sipanje nk + nk + primer naključja v znanosti Diakonov, Petrov in Polyakov so bili prepričani, da meritve reakcije nk + nk + za mase M(nK + ) < 16 MeV/c 2 ne obstajajo. V tej reakciji bi se moral Θ + (153) pokazati kot resonančno povečanje preseka pri masi 153 MeV/c 2. (e) presek za reakcijo nk + nk + Nove analize starih podatkov kažejo: če Θ + obstaja, potem Γ(Θ + ) < 1 MeV. 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 26) Tomi Živko
Ozadje v signalu? Obstajajo pomisleki glede pristnosti signala za Θ + v obeh razpadnih kanalih. V kanalu pk S je nevaren vir ozadja razpad Λ(1116) π p. Zaradi šuma v detektorju se utegne zgoditi, da na podlagi sledi resničnega protona rekonstruiramo 2 delca: proton in neobstoječi π +. Par π π + (π je resničnen, π + je prikazen) ima lahko maso v bližini mase K S = vir težav. 16 14 12 1 8 6 4 2 1.8 1.1 1.12 1.14 masa (proton pi-) (GeV) 8 7 6 5 4 3 2 1.45.475.5.525.55 masa (pi+ pi-) (GeV) 6 5 4 3 2 1 1.5 1.6 1.7 1.8 razpad Lambde, masa (proton K) (GeV) = lažni Θ +, dobljen iz Λ(1116) in šuma 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 27) Tomi Živko
Zaključek: eksperimentalna situacija 12 eksperimentov vidi Θ +, 1 eksperiment vidi Ξ in 1 eksperiment vidi Θ C približno enako število eksperimentov ne vidi pentakvarkov eksperimenti, ki ne vidijo pentakvarkov, so (v povprečju) tehnološko bolj napredni, imajo boljšo masno ločljivost ter večje število izmerjenih dogodkov neujemanje mase Θ + v razpadnih kanalih nk + in pks je 1 ± 3 MeV/c2 Γ(Θ + ) < 1 MeV (sipanje nk + nk + ) izmerjena razmerja presekov pentakvark/(običajni delci) si močno nasprotujejo rezultatov ni mogoče neposredno primerjati, ker eksperimenti delujejo pod različnimi pogoji Če nekateri eksperiment ne vidi pentakvarkov, to še ni končni dokaz, da pentakvarki ne obstajajo. Obstoj pentakvarkov je odprto vprašanje. Rešitev: specializirani eksperimenti z odlično masno ločljivostjo, dobro sprejemnostjo in veliko statistiko. γp nk + K S γn pk S K γn nk + K K + d pk S p nk + nk + Nekateri od teh eksperimentov že potekajo. Rezultati bodo znani v letu 25. 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 28) Tomi Živko
Zaključek: stanje teorije nobeden od obstoječih modelov ni dal prepričljive kvalitativne razlage za majhno širino Θ + potrebno je fino uglaševanje parametrov modeli napovedujejo stanja, ki jih eksperimenti ne vidijo teorija se še ni ukvarjala z razlago, zakaj nekateri eksperimenti vidijo pentakvarke, drugi pa ne Robert Jaffe: Either the Θ + will go away, or it will force us to rewrite several chapters of the book on QCD. 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 29) Tomi Živko
(f) Should we fight on the photo or should we laugh? 27. oktobra 24 Pentakvarki, uganka fizike osnovnih delcev (page 3) Tomi Živko