Unsere Geschichte begann mit dem Urknall vor etwa 14 Milliarden Jahren. Der Theorie zufolge war das Universum für Millionstelsekunden nach seiner Geburt ein Plasma aus Elementarteilchen – Gluonen und Quarks. Dann kühlte dieses Plasma in kürzester Zeit ab, und aus seinen Teilchen bildeten sich die uns bekannten Protonen und Neutronen. Sie wurden von verschiedenen instabilen Teilchen unbekannter Struktur begleitet – den sogenannten X-Teilchen, von deren Existenz die Welt im Jahr 2003 erfuhr. Dann lieferte der japanische Collider Belle den ersten Beweis für die Existenz von X-Teilchen. Diese Teilchen zerfielen jedoch zu schnell, so dass die Physiker ihre Struktur nicht untersuchten. Jetzt konnten Wissenschaftler die Materie der ersten Momente des Lebens des Universums rekonstruieren und schließlich die mysteriösen Teilchen entdecken. Es ist großartig, nicht wahr? Aber schlecht untersuchte Partikel passen nicht in bestehende Modelle der Materiebildung.
«Partikel X» seit jeher im Large Hadron Collider entdeckt
Wie kann man die Quantentheorie testen?
Der Large Hadron Collider am CERN hat es Forschern ermöglicht, einige wirklich erstaunliche Experimente durchzuführen und zu testen, ob die Quantentheorie richtig ist. Mit Hilfe des LHC wurde also das berühmte Higgs-Boson entdeckt, und die Entdeckung der vorhergesagten X-Teilchen war ein echter Durchbruch.
Auf der Suche nach mysteriösen Teilchen unbekannter Struktur haben Physiker des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in einem Collider durch Kollision von Bleiionen mit hoher Geschwindigkeit ein Quark-Gluon-Plasma erzeugt. Diese Kollisionen erzeugten Zehntausende sehr unterschiedlicher Teilchen. Aber wie kann man unter ihnen X-Teilchen einfangen, die, sobald sie entstehen, sofort zerfallen?
Partikel und Wechselwirkungen, die unsere Welt ausmachen, tauchten nach und nach auf.
Wissenschaftler konnten mithilfe von Techniken des maschinellen Lernens mehr als 13 Milliarden Schwerionenkollisionen genau identifizieren 100 Partikel &# 171;X» – eine spezielle Art von Teilchen namens X (3872), benannt nach der angenommenen Masse des Teilchens. Jede dieser 13 Milliarden Kollisionen erzeugte wahrscheinlich Zehntausende geladener Teilchen.
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Mit einem Programm, das in der Lage war, einen extrem dichten Datensatz zu sichten, konnten die Wissenschaftler Schlüsselvariablen heraussuchen, die wahrscheinlich das Ergebnis des Zerfalls von X-Partikeln waren. Sie vergrößerten die Signale und beobachteten einen Peak bei einer bestimmten Masse, der ihre Anwesenheit anzeigte. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift Physical Review Letter veröffentlicht.
Das mysteriöse Teilchen wird uns eine Vorstellung von den frühesten Momenten der Existenz des Universums geben.
Die Ergebnisse einer neuen Studie werden es Wissenschaftlern ermöglichen, in das Herz des Urknalls zu blicken . Quark-Gluon-Plasma erfüllte das Universum in den ersten Millionstelsekunden seines Lebens, noch bevor das, was wir Materie nennen – Moleküle, Atome oder sogar Protonen oder Neutronen – gebildet wurde, erklären Physiker.
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Die Struktur von X-Teilchen
Bei extrem hohen Temperaturen – Billionen von Grad – zerfallen Protonen, Neutronen und ähnliche Teilchen und lösen sich in einer hochenergetischen Suspension aus Quarks und Gluonen (Quark-Gluon-Plasma) auf. Eine der von Physikern angewandten Methoden war die Schwerionenkollision: die Kollision von Atomkernen mit sehr hoher Geschwindigkeit.
Die Experimente am LHC bestanden darin, schwere Bleiatome zusammenzuschlagen, die Informationsspuren im Quark-Gluon-Plasma hinterließen – seine Entstehung wurde erst im 21. Jahrhundert möglich, aber es ist äußerst schwierig, etwas darin zu entdecken.
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Niemand hat zuvor versucht, X-Teilchen (3872) in Schwerionenkollisionen nachzuweisen, da dies eine sehr schwierige Aufgabe ist, sagten die Physiker in einer Pressemitteilung aus der Studie.
Das Partikel wurde im Large Hadron Collider am CERN erzeugt.
Da die Kerne von Atomen Cluster von Protonen und Neutronen enthalten, bestehen Teilchen tatsächlich aus noch kleineren Teilchen, den sogenannten Quarks. Um größere Teilchen zu bilden, verbinden sich Quarks mit Gluonen, sogar kleineren Teilchen, die als Agenten kleiner Kernkraft wirken.
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Einige Physiker glauben, dass X(3872) ein Teilchen mit vier Quarks sein könnte: Tetraquarks. Typische Protonen und Neutronen bestehen aus drei Quarks, aber Tetraquarks sind seltsam und benötigen normalerweise hohe Energien, um zusammen zu bleiben. In den letzten zehn Jahren haben Physiker weitere Beispiele von Tetraquarks in Teilchenbeschleunigern beobachtet, Sie können hier mehr lesen.
Das Teilchen wurde im Large Hadron Collider am CERN erzeugt.
Es ist auch möglich, dass die X-Teilchen (3872) tatsächlich aus Mesonen bestehen. Dies ist eine andere Art von subatomaren Teilchen, die aus einem Quark und einem Antiquark, dem Antimaterie-Gegenstück des Quarks, besteht. Mesonen wiederum können manchmal innerhalb eines Augenblicks auf der Erde erscheinen.
Dies geschieht, wenn hochenergetische kosmische Strahlen mit bekannter Materie kollidieren. Physiker haben jedoch noch nie ein größeres Teilchen gesehen, das aus vielen Mesonen besteht.
Wie die Autoren der wissenschaftlichen Arbeit erklären, wenn X (3872) aus Mesonen besteht, dann haben wir ein Zeichen dafür das Universum wimmelte von solch «exotischen» Partikel unmittelbar nach der Geburt. «In den kommenden Jahren werden wir mehr Daten haben und wir werden herausfinden, welche Teilchen das Universum ganz am Anfang seiner Reise produziert hat», — merken die Forscher an.
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Teilchen-X-Überlagerung
Laut Wissenschaftlern, die nicht an der Studie teilgenommen haben, könnten sich X(3872)-Teilchen sogar als Überlagerung eines gewöhnlichen Paares von Charm-Quarks oder Tetraquarks oder Molekülen herausstellen. Leider sind die experimentellen Unsicherheiten immer noch groß und erlauben es aus mehreren Gründen nicht, sofort überzeugende Schlussfolgerungen zu ziehen. Allein die Tatsache, dass Physiker den Zustand X (3872) beim Zusammenstoß schwerer Ionen messen konnten, ist eine äußerst wichtige Entdeckung.
Das Phänomen, bei dem winzige Quantenteilchen gleichzeitig an zwei Orten sind, nennt man Quantensuperposition. Da die Quantenmechanik eine komplexe und kaum verstandene Disziplin ist, geht es nicht um Aktionen, sondern um Zustände. Wenn sich zum Beispiel ein Elektron oder ein Photon in einer Überlagerung befindet, macht es alles auf einmal, als ob es sich gegenseitig überlappt, und gleichzeitig sowohl ein Teilchen als auch eine Welle ist.
Nun, nachdem die Signatur eines X-Teilchens bestimmt wurde, können Physiker seine innere Struktur bestimmen: Protonen und Neutronen bestehen aus drei fest verbundenen Quarks, aber die Forscher glauben, dass ein X-Teilchen völlig anders aussehen würde. Zumindest wissen sie, dass das neue Teilchen vier Quarks enthält, aber wie sie verbunden sind, ist derzeit unbekannt.
In Zukunft könnten Quarks und Gluonen in einem Plasma verwendet werden, um ein Teilchen auseinanderzubrechen und zu sehen, was sich darin befindet.
Jetzt arbeiten die Forscher weiter daran, weitere Daten zu sammeln. «In den nächsten Jahren werden wir viel mehr Informationen sammeln. Dies wird unser Verständnis der Arten von Teilchen erweitern, die im frühen Universum reichlich vorhanden waren,» Anmerkung der Physiker.
Dieses Experiment wird dank der Arbeit des James-Webb-Weltraumteleskops um weitere Daten ergänzt. Dieses neueste astronomische Instrument kann in den Urknall blicken. Auf die eine oder andere Weise ist es an der Zeit, uns auf die größten Entdeckungen vorzubereiten, die die komplexe Struktur des Universums erklären können. Lesen Sie mehr darüber, wie und wann James Webb seine wissenschaftliche Karriere beginnen wird, haben wir in diesem Artikel gesagt, wir empfehlen ihn zu lesen.