Die subatomare Entdeckung, die Physiker als geheim hielten - - Die Wissenschaften - 2020

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Anonim

Winzige Teilchen, die als Bottom-Quarks bezeichnet werden, könnten in einer schockierend starken Reaktion miteinander verschmelzen

Ein Paar Physiker kündigte die Entdeckung eines subatomaren Ereignisses an, das so mächtig war, dass sich die Forscher fragten, ob es für die Veröffentlichung zu gefährlich sei.

Das explosive Ereignis? Das Duo zeigte, dass zwei winzige Teilchen, die als Bottom-Quarks bekannt sind, theoretisch in einem starken Blitz miteinander verschmelzen könnten. Das Ergebnis: ein größeres subatomares Teilchen, ein zweites Ersatzteilchen, das als Nukleon bekannt ist, und ein ganzes Durcheinander an Energie, das in das Universum eindringt. Diese "Quarksplosion" wäre ein noch stärkeres subatomares Analogon der einzelnen Kernfusionsreaktionen, die in den Kernen von Wasserstoffbomben stattfinden.

Quarks sind winzige Teilchen, die normalerweise zusammengehalten werden, um die Neutronen und Protonen in den Atomen zu bilden. Sie kommen in sechs Versionen oder "Flavours": oben, unten, oben, unten, seltsam und charmant.

Energetische Ereignisse auf subatomarer Ebene werden in Megaelektronenvolt (MeV) gemessen. Wenn zwei unterste Quarks verschmelzen, stellen die Physiker fest, erzeugen sie satte 138 MeV. Das ist etwa achtmal so stark wie eines der einzelnen Kernfusionsereignisse, die in Wasserstoffbomben stattfinden (eine Bombenexplosion im großen Maßstab besteht aus Milliarden dieser Ereignisse). H-Bomben verschmelzen winzige Wasserstoffkerne, so genannte Deuteronen und Tritonen, zu Heliumkernen, zusammen mit den stärksten Explosionen im menschlichen Arsenal. Jede dieser Einzelreaktionen in den Bomben setzt jedoch nur etwa 18 MeV frei, berichtet das Nuclear Weapon Archive, eine Website zum Sammeln von Forschungen und Daten zu Atomwaffen. Das ist weit weniger als die Verschmelzung der unteren Quarks von 138 MeV. Jenseits von Higgs: 5 schwer fassbare Teilchen, die im Universum lauern können

"Ich muss zugeben, dass ich Angst hatte, als ich erstmals erkannte, dass eine solche Reaktion möglich ist", sagte Mitforscher Marek Karliner von der Universität Tel Aviv in Israel gegenüber Live Science. "Aber zum Glück ist es ein Trickpony."

So effektiv Fusionsreaktionen auch sein mögen, so ist eine einzelne Fusion allein nicht gefährlich. Wasserstoffbomben beziehen ihre enorme Kraft aus Kettenreaktionen - die kaskadierende Verschmelzung vieler Kerne gleichzeitig.

Karliner und Jonathan Rosner von der University of Chicago stellten fest, dass eine solche Kettenreaktion mit Bottom-Quarks nicht möglich ist, und teilten ihre Einsichten vor der Veröffentlichung privat mit Kollegen.

"Wenn ich für eine Mikrosekunde gedacht hätte, dass dies militärische Anwendungen hätte, hätte ich sie nicht veröffentlicht", sagte Karliner.

Um eine Kettenreaktion auszulösen, benötigen Atombombenbauer große Vorräte an Partikeln. Und eine wichtige Eigenschaft von Bottom-Quarks macht es unmöglich, sie aufzustocken: Sie verschwinden nur eine Pikosekunde nach ihrer Erstellung oder in etwa der Zeit, in der Licht benötigt wird, um die halbe Länge eines einzelnen Salzkorns zurückzulegen. Nach dieser Zeitspanne zerfallen sie in eine weitaus häufigere und weniger energetische Art von subatomaren Teilchen, die als Up-Quark bekannt sind.

Es sei möglich, einzelne Fusionsreaktionen von Bodenquarks in kilometerlangen Teilchenbeschleunigern zu erzeugen, sagten die Wissenschaftler. Aber selbst in einem Gaspedal könne man keine große Menge an Quarks zusammenstellen, um irgendeinen Schaden in der Welt anrichten zu können, sagten die Forscher. Sie brauchen sich also keine Sorgen um Quarkbomben zu machen. 7 seltsame Fakten über Quarks

Die Entdeckung sei jedoch aufregend, weil es der erste theoretische Beweis sei, dass es möglich sei, subatomare Teilchen auf eine Weise zu verschmelzen, die Energie freisetzt, sagte Karliner. Dies ist ein brandneues Gebiet in der Physik sehr kleiner Teilchen, das durch ein Experiment im Large Hadron Collider am CERN, dem Labor für massive Teilchenphysik in der Nähe von Genf, ermöglicht wurde.

So haben die Physiker diese Entdeckung gemacht.

Beim CERN zirkulieren die Partikel mit nahezu Lichtgeschwindigkeit um einen 27 Kilometer langen unterirdischen Ring, bevor sie ineinander reißen. Die Wissenschaftler verwenden dann leistungsstarke Computer, um die Daten dieser Kollisionen zu durchforsten, und manchmal tauchen aus dieser Forschung seltsame Partikel auf. Im Juni tauchte in den Daten einer dieser Kollisionen etwas besonders Merkwürdiges auf: ein "doppelt bezauberter" Baryon oder ein voluminöser Cousin aus Neutron und Proton, der selbst aus zwei Cousins ​​der "Bottom" - und "Top" -Quarks besteht bekannt als "charm" Quarks.

Charm-Quarks sind jetzt sehr schwer im Vergleich zu den üblicheren Up- und Down-Quarks, aus denen Protonen und Neutronen bestehen. Wenn sich schwere Partikel aneinander binden, wandeln sie einen großen Teil ihrer Masse in Bindungsenergie um und produzieren in einigen Fällen einen Haufen übriggebliebener Energie, die in das Universum entweicht. Wacky Physics: Die coolsten kleinen Teilchen der Natur

Wenn zwei Charm-Quarks verschmelzen, fanden sich Karliner und Rosner, banden die Partikel mit einer Energie von etwa 130 MeV und spuckten 12 MeV in verbleibender Energie aus (etwa zwei Drittel der Energie der Deuteron-Triton-Fusion). Diese bezaubernde Fusion war die erste Reaktion von Teilchen dieser Skala, bei der jemals Energie auf diese Weise emittiert wurde. Sie ist das Schlagzeilenergebnis der neuen Studie, die am 1. November in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde.

Die noch energetischere Verschmelzung zweier unterster Quarks, die sich mit einer Energie von 280 MeV binden und beim Fusionieren 138 MeV ausspucken, ist die zweite und mächtigere der beiden gefundenen Reaktionen.

Diese Reaktionen sind bisher rein theoretisch und wurden in einem Labor nicht nachgewiesen. Der nächste Schritt sollte jedoch bald kommen. Karliner erwartet, dass die ersten Experimente, die diese Reaktion zeigen, in den nächsten Jahren am CERN gezeigt werden.

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde aktualisiert, um die Aussage zu korrigieren, dass Top-Quarks Neutronen und Protonen bilden. Auf und ab Quarks bilden Protonen und Neutronen.

Ursprünglich auf Live Science veröffentlicht.

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