Med sina första körningar av kolliderande protoner 2008-2013 har Large Hadron Collider nu tillhandahållit en ström av experimentella data som forskare litar på för att testa förutsägelser som härrör från partikel- och högenergifysik. Faktiskt idag CERN offentliggjordes de första data som producerats av LHC-experiment. Och för varje dag som går släpps ny information som hjälper till att kasta ljus över några av universums djupare mysterier.
Den här veckan tillkännagav till exempel CERN upptäckten av två nya subatomära partiklar som ingår i baryonfamiljen. Partiklarna, kända som Xi_b'-och Xi_b*-, upptäcktes tack vare insatserna från LHCb-experimentet – ett internationellt samarbete som involverar ungefär 750 forskare från hela världen.
Förekomsten av dessa partiklar förutspåddes av kvarkmodellen, men hade aldrig setts tidigare. Dessutom kan deras upptäckt hjälpa forskare att ytterligare bekräfta standardmodellen för partikelfysik, som anses vara praktiskt taget ointaglig nu tack vare upptäckten av Higgs-bosonen.
Liksom de välkända protonerna som LHC accelererar är de nya partiklarna baryoner gjorda av tre kvarkar som är sammanbundna av den starka kraften. Typerna av kvarkar är dock olika: de nya X_ib-partiklarna innehåller båda en skönhet (b), en konstig (s) och en ner (d) kvark. Tack vare de tunga b-kvarkarna är de mer än sex gånger så massiva som protonen.
Tvärsnitt av Large Hadron Collider där dess detektorer är placerade och kollisioner inträffar. Kredit: CERN
Men deras massa beror också på hur de är konfigurerade. Var och en av kvarkarna har ett attribut som kallas 'spin'; och i Xi_b'-tillstånd pekar spinnen för de två lättare kvarkarna i motsatt riktning mot b-kvarken, medan i Xi_b*-ange att de är i linje. Denna skillnad gör att Xi_b*-lite tyngre.
'Naturen var snäll och gav oss två partiklar till priset av en', säger Matthew Charles från CNRS:s LPNHE-laboratorium vid Paris VI University. 'The Xi_b'-är mycket nära i massa summan av dess sönderfallsprodukter: om den bara hade varit lite lättare, skulle vi inte ha sett den alls med hjälp av sönderfallssignaturen som vi letade efter.'
'Det här är ett mycket spännande resultat', säger Steven Blusk från Syracuse University i New York. 'Tack vare LHCbs utmärkta hadronidentifiering, som är unik bland LHC-experimenten, kunde vi separera en mycket ren och stark signal från bakgrunden,''Det visar än en gång känsligheten och hur exakt LHCb-detektorn är.'
Blusk och Charles analyserade tillsammans uppgifterna som ledde till denna upptäckt. Existensen av de två nya baryonerna hade varit förutspått 2009 av de kanadensiska partikelfysikerna Randy Lewis från York University och Richard Woloshyn från TRIUMF, Kanadas nationella partikelfysiklaboratorium i Vancouver.
De kala massorna av alla 6 smakerna av kvarkar, proton och elektron, visas i proportionell volym. Kredit: Wikipedia/Incnis Mrsi
Förutom massorna av dessa partiklar studerade forskargruppen deras relativa produktionshastigheter, deras bredder – ett mått på hur instabila de är – och andra detaljer om deras sönderfall. Resultaten stämmer överens med förutsägelser baserade på teorin om kvantkromodynamik (QCD).
QCD är en del av standardmodellen för partikelfysik, teorin som beskriver materiens grundläggande partiklar, hur de interagerar och krafterna mellan dem. Att testa QCD med hög precision är en nyckel till att förfina vår förståelse av kvarkdynamik, vars modeller är oerhört svåra att beräkna.
'Om vi vill hitta ny fysik utöver standardmodellen måste vi först ha en skarp bild', säger LHCbs fysikkoordinator Patrick Koppenburg från Nikhef Institute i Amsterdam. 'Sådana högprecisionsstudier kommer att hjälpa oss att skilja mellan standardmodelleffekter och allt nytt eller oväntat i framtiden.'
Mätningarna gjordes med de data som tagits vid LHC under 2011-2012. LHC förbereds för närvarande – efter sin första långa avstängning – för att arbeta med högre energier och med mer intensiva strålar. Det är planerat att starta om våren 2015.
Forskningen publicerades online i går på fysikförtrycksservern arXiv och har skickats till den vetenskapliga tidskriftenFysiska granskningsbrev.