陽子の4倍重い新粒子をCERNで発見！

まとめ

• CERN の LHCb 実験では、2 つのチャーム クォークと 1 つのダウン クォークからなる新しい素粒子 (バリオン) が検出されました。
• 新しい粒子の質量は、より重いチャーム クォークが存在するため、通常の陽子の質量の 4 倍であると推定されています。
• この発見の統計的有意性は 7 シグマに達し、統計的誤差の余地なくその存在が完全に確認されます。
• データは、2023 年のアップグレードを利用して、大型ハドロン衝突型加速器の 3 回目の実行 (実行 3) からのみ抽出されました。
• 新しい粒子の寿命は、2017年に発見された対応する粒子（チャームクォーク2個、アップクォーク1個）よりも最大6倍短い。
• 研究の目的は、量子色力学の理論モデルをより正確に校正し、強力な核力をより深く理解することです。

CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）におけるLHCb共同研究は、新たな素粒子の発見を正式に発表した。これは陽子と構造的類似点を共有するバリオンですが、驚くほど大きな質量を持っています。この事実は、素粒子物理学の理論モデルの正しさを裏付け、原子核を結びつける力である強い相互作用についての理解を広げます。

この発見は、 モリオンド会議 これは、2023年に完了したLHCb検出器の大幅なアップグレード以来、初めて確認された新粒子の発見となる。

新しい粒子とは何ですか?その構造は何ですか?

新しいバリオンは、2 つのチャーム クォークと 1 つのダウン クォークで構成されます。その質量は、一般的な陽子の質量のちょうど 4 倍です。この発見の統計的確実性は 7 シグマに達し、新粒子の公式発表に国際的に要求される 5 シグマの制限を超えていますが、この粒子は加速器の第 3 フェーズ (Run 3) の衝突データのおかげで検出されました。

素粒子物理学の標準模型では、クォークを物質の基本的な構成要素として説明しています。物理学者はクォークをアップ、ダウン、チャーム、ストレンジ、トップ、ボトムの 6 つのフレーバーに分類します。原子核の基礎となる陽子は、2つのアップクォークと1つのダウンクォークで構成されています。新しい粒子では、陽子の 2 つの明るいクォークが、2 つの非常に重いチャーム クォークに置き換えられています。この根本的な構造変化が、新しい粒子の質量が急速に増加し、粒子を非常に重くて不安定な系にする理由です。

以前の CERN の発見とどう違うのですか?

LHCb の共同研究には、エキゾチックな構造の検出に関する膨大な専門知識があります。 2017年、科学者らは同じ実験で、2つのチャームクォークと1つのアップクォークからなる同様の粒子（Ξcc++）を検出した。 2017 年の粒子と新たな発見の違いは、アップ クォークがダウン クォークに置き換えられたことだけです。

見かけの類似性にもかかわらず、2 つの粒子の挙動には大きな違いがあります。測定と理論モデルに基づくと、この新しい粒子の寿命は、2017 年の同等の粒子に比べて最大 6 倍短くなります。この減少は、バリオン内部の特定のクォークの相互作用中に発生する非常に複雑な量子効果によるものです。まさにこの無限小の寿命 (100 万分の 1 秒の何分の 1) こそが、その検出を技術的および計算上の巨大な課題にしているのです。これらの粒子は生成直後に崩壊するため、科学者は「破片」（崩壊の生成物）を正確に記録することによってのみその存在を確認できます。

LHCb 検出器、Run 3 および機械学習の役割

この発見につながった分析は、LHC の実験 3 中に記録された陽子衝突のデータのみに基づいていました。実行 3 は 13.6 TeV という前例のない衝突エネルギーが特徴で、そのデータは以前の実行フェーズよりもはるかに高い品質と量を示しています。

LHCb 検出器は、チャームとボトム クォークを含む粒子を研究するために特別に設計されています。衝突現場全体を対称的に周回する汎用検出器ATLASやCMSとは異なり、LHCbはビームの初期軌道に沿って非常に小さな角度で放出された粒子を捕捉します。最近のシステムのアップグレードにより、膨大な量のデータをリアルタイムで分析できるようになりました。

この極めて稀な粒子の「信号」を分離するには、 研究者 彼らは高度な機械学習アルゴリズム (特にブースト デシジョン ツリー – BDT) を使用しました。これらのアルゴリズムは、加速器内で毎秒発生する数十億の取るに足らない衝突の「ノイズ」の中の特定の減衰パターンを認識するように訓練されました。最終結果が 7 シグマの統計的有意性を示すという事実は、その結果がデータのランダムな変動によるものである確率が実質的にゼロであることを意味します (具体的には、5 シグマからすでに 350 万分の 1 の確率に達しています。したがって、7 シグマでは絶対的な数学的確実性について話しています)。

量子色力学 (QCD) における発見の重要性

2 つの重いクォークを含む系の研究は、量子色力学の厳密な制御に重要な新しいデータを提供します (量子色力学 – QCD）、強力な核力を説明する主要な理論の。陽子や中性子の中にクォークを保持するのは強い力です。

2 つの非常に重いクォーク (チャームのような) を持つバリオンでは、重い元素は原子核のように動作し、一方、より軽いクォーク (私たちの場合はダウン) がそれらの周りを回転し、原子核の周りの電子の挙動を思い出させます。より重いクォークが互いにどのように相互作用するか、またより軽いダウンクォークとどのように相互作用するかを研究することにより、理論物理学者は複雑な数学モデルを校正し、テトラクォークやペンタクォークなどのさらにエキゾチックな物質構造の存在と特性を絶対的な精度で予測することができます。

ギリシャのCERNへの参加

高性能の研究は、ギリシャにおける優れた学術の重要な柱です。アテネ国立工科大学（NTUA）、テッサロニキ・アリストテレス大学（AUTH）、アテネ国立・カポディストリアン大学（EKPA）、「デモクリトス」EKEFEなどの教育・研究機関は、CERNの主要実験において恒久的かつ決定的な存在感を維持している。

数十人のギリシャの研究者、コンピュータエンジニア、データアナリスト、博士号取得候補者が毎日ジュネーブで生成されたデータを分析し、機械学習ソフトウェアの開発、クラウドコンピューティングシステムの管理、検出器サブシステムの設計に貢献しています。

実験の成功 LHCb そして、実行 3 フェーズ全体は、地元の学術コミュニティの活動を直接反映しています。これは新しい博士論文の開発に一次データを提供し、我が国を世界的な小宇宙マッピング研究の中心に保ちます。

テックギア提供

このバリオンの存在を確認することは、亜原子粒子の膨大なカタログへの単なる理論上のエントリーではありません。これは、物流インフラのアップグレードへの長期投資が目に見える成果をもたらしているという目に見える証拠です。 7 シグマの統計的確実性は主に、技術の成熟度と、想像を絶する量のデータをリアルタイムで分析する際の機械学習アルゴリズム (AI および機械学習) の必要性を確認します。

同時に、この特定の発見は、基礎研究の極めて重要性を私たちに思い出させます。 1 秒のごくわずかな時間だけ生存する粒子は、産業上の現実から切り離されているように見えますが、粒子を検出するために必要と開発された最先端の技術は、すぐに商業用途に適用されます。高度な極低温システムや放射線検出器から、複雑なビッグデータ解析アルゴリズムに至るまで、CERN の専門知識は医療画像、次世代電気通信、材料科学に急速に応用されています。極端な規模の研究は、科学的知識だけでなく実践も生み出す究極のエンジンとして機能し続けています。 技術的な 革新。