Ein Großteil der Materie im Universum besteht aus winzigen Teilchen, die Quarks genannt werden. Normalerweise ist es unmöglich, ein Quark alleine zu sehen, da sie immer eng in Gruppen zusammengebunden sind. Quarks trennen sich nur unter extremen Bedingungen, wie unmittelbar nach dem Urknall oder im Zentrum von Sternen oder bei hochenergetischen Teilchenkollisionen, die in Teilchenkollidern erzeugt werden.
Wissenschaftler der Louisiana Tech University arbeiten an einer Studie über Quarks und die Kraft, die sie bindet, indem sie Daten aus dem ATLAS-Experiment am LHC analysieren., Ihre Messungen könnten uns mehr über die Bedingungen des frühen Universums erzählen und sogar auf neue, unentdeckte Prinzipien der Physik hinweisen.
Die Partikel, die Quarks zusammenkleben, werden treffend „Gluonen“ genannt.“Gluonen tragen die starke Kraft, eine von vier fundamentalen Kräften im Universum, die bestimmen, wie Teilchen interagieren und sich verhalten. Die starke Kraft bindet Quarks in Teilchen wie Protonen, Neutronen und Atomkerne.,
Wie der Name schon sagt, ist die starke Kraft die stärkste—sie ist 100 mal stärker als die elektromagnetische Kraft (die Elektronen in Atome bindet), 10.000 mal stärker als die schwache Kraft (die den radioaktiven Zerfall steuert) und hundert Millionen Millionen Millionen Millionen Millionen Millionen Millionen (1039) mal stärker als die Schwerkraft (die Sie zur Erde und die Erde zur Sonne zieht).
Aber dieses Verhältnis verschiebt sich, wenn die Teilchen voller Energie gepumpt werden. So wie echter Kleber bei Überhitzung seine Klebrigkeit verliert, wird die starke Kraft, die von Gluonen getragen wird, bei höheren Energien schwächer.,
„Partikel spielen nach einem sich entwickelnden Regelwerk“, sagt Markus Wobisch von der Louisiana Tech University. „Die Stärke der Kräfte und ihr Einfluss in der subatomaren Welt ändert sich mit zunehmender Energie der Teilchen. Dies ist ein grundlegender Parameter in unserem Verständnis von Materie, der von Wissenschaftlern bei hohen Energien noch nicht vollständig untersucht wurde.“
Die Charakterisierung der Kohäsivität der starken Kraft ist einer der Schlüsselzutaten, um die Bildung von Teilchen nach dem Urknall zu verstehen, und könnte sogar Hinweise auf neue Physik wie versteckte zusätzliche Dimensionen geben.,
„Zusätzliche Dimensionen könnten helfen zu erklären, warum die Grundkräfte in ihrer Stärke dramatisch variieren“, sagt Lee Sawyer, Professor an der Louisiana Tech University. „Zum Beispiel könnten einige der Grundkräfte nur schwach erscheinen, weil sie in verborgenen Extradimensionen leben und wir ihre volle Stärke nicht messen können. Wenn die starke Kraft bei hohen Energien schwächer oder stärker als erwartet ist, sagt uns dies, dass in unserem Grundmodell des Universums etwas fehlt.,“
Durch die Untersuchung der vom LHC erzeugten hochenergetischen Kollisionen charakterisiert das Forscherteam der Louisiana Tech University, wie die starke Kraft energetische Quarks in belastete Teilchen zieht. Die Herausforderung, vor der sie stehen, ist, dass Quarks in den Partikeldetektoren herumlaufen und kapern. Diese subatomare Soirée umfasst Hunderte von Partikeln, die häufig aus etwa 20 Proton-Proton-Kollisionen gleichzeitig entstehen. Es hinterlässt ein unordentliches Signal, das Wissenschaftler dann rekonstruieren und kategorisieren müssen.,
Wobisch und seine Kollegen entwickelten eine neue Methode, um diese Rowdygruppen von Quarks namens Jets zu untersuchen. Durch die Messung der Winkel und Orientierungen der Jets lernen er und seine Kollegen wichtige neue Informationen darüber, was während der Kollisionen passiert ist—mehr als das, was sie durch einfaches Zählen der Jets ableiten können.
Die durchschnittliche Anzahl der Jets, die durch Protonen-Protonen-Kollisionen erzeugt werden, entspricht direkt der Stärke der starken Kraft in der energetischen Umgebung des LHC.,
“ Wenn die starke Kraft stärker als vorhergesagt ist, sollten wir eine Zunahme der Anzahl von Protonenprotonen-Kollisionen sehen, die drei Jets erzeugen. Aber wenn die starke Kraft tatsächlich schwächer ist als vorhergesagt, dann würden wir relativ mehr Kollisionen erwarten, die nur zwei Jets erzeugen. Das Verhältnis zwischen diesen beiden möglichen Ergebnissen ist der Schlüssel zum Verständnis der starken Kraft.“
Nach dem Einschalten des LHC verdoppelten Wissenschaftler ihre Energiereichweite und haben nun die Stärke der starken Kraft bis zu 1 bestimmt.,5 billionen Elektronenvolt, Das ist ungefähr die durchschnittliche Energie jedes Teilchens im Universum kurz nach dem Urknall. Wobisch und sein Team hoffen, diese Zahl wieder mit mehr Daten zu verdoppeln.
„Bisher bestätigen alle unsere Messungen unsere Vorhersagen“, sagt Wobisch. „Weitere Daten werden uns helfen, die starke Kraft bei noch höheren Energien zu betrachten und uns einen Einblick in die Entstehung der ersten Teilchen und die mikroskopische Struktur der Raumzeit zu geben.”