Tomasz Skwarnicki, professeur de physique au Collège des Arts et des Sciences de l'Université de Syracuse, a découvert de nouvelles informations sur une classe de particules appelées pentaquarks. Ses découvertes pourraient conduire à une nouvelle compréhension de la structure de la matière dans l'univers.

Assisté de Liming Zhang, professeur agrégé à l'Université Tsinghua de Pékin, Skwarnicki a analysé les données de l'expérience Large Hadron Collider Beauty (LHCb) au Large Hadron Collider (LHC) du CERN en Suisse. Le physicien expérimental a découvert des preuves de trois pentaquarks jamais vus auparavant, chacun divisé en deux parties.

"Jusqu'à maintenant, nous avions pensé qu'un pentaquark était composé de cinq particules élémentaires [appelées quarks], collés ensemble. Nos découvertes prouvent le contraire, " dit Skwarnicki, membre de l'American Physical Society.

Skwarnicki fait partie d'une équipe de chercheurs, y compris les membres du groupe de physique des hautes énergies (HEP) de Syracuse, l'étude des particules et des forces fondamentales dans l'Univers. La plupart de leurs travaux se déroulent au laboratoire du CERN, dont le LHC est le plus gros, détecteur de particules le plus puissant au monde.

C'est à l'intérieur du LHC que les protons sont projetés à haute énergie, seulement pour entrer en collision les uns avec les autres. Ce qui se trouve à l'intérieur des particules, lorsqu'il est ouvert, aide les scientifiques à sonder les mystères de l'univers fondamental.

Étudier les collisions de protons de 2015 à 2018, Skwarnicki a confirmé l'existence d'une sous-structure au sein d'un pentaquark. Le cadeau, il dit, était un trio de pics étroits dans les données cinématiques du LHC.

Chaque pic fait référence à un pentaquark particulier, en particulier, l'un divisé en deux parties :un baryon, contenant trois quarks, et un méson, avec deux quarks.

Un pic suggère également la résonance, un phénomène de courte durée lors de la désintégration des particules, dans laquelle une particule instable se transforme en plusieurs autres. La résonance se produit lorsque des protons (un type de baryon) se rencontrent - ou, plus précisément, glissent l'un dans l'autre, lors d'une collision avec le LHC.

Ce qui est unique à propos de chacun de ces trois pentaquarks, c'est que sa masse est légèrement inférieure à la somme de ses parties - dans ce cas, les masses du baryon et du méson. "Le pentaquark ne s'est pas désintégré par sa facilité habituelle, processus de désintégration, " Skwarnicki dit. " Au lieu de cela, il s'est désintégré en réarrangeant lentement et laborieusement ses quarks, formant une résonance étroite."

Comprendre comment les particules interagissent et se lient ensemble est la spécialité de Skwarnicki. En 2015, lui et ensuite Ph.D. étudiant Nathan Jurik G'16, Les distingués professeurs Sheldon Stone et Zhang ont fait la une des journaux avec leur rôle dans la détection d'un pentaquark par LHCb. Théorisé un demi-siècle plus tôt, leur découverte s'est appuyée sur les données du LHC de 2011-12.

Les dernières données de LHCb utilisaient un faisceau d'énergie presque deux fois plus puissant. Cette méthode, combiné à des critères de sélection de données plus affinés, produit une plus grande gamme de collisions de protons.

"Cela nous a également donné 10 fois plus de données et nous a permis d'observer les structures des pentaquarks plus clairement qu'auparavant, " dit Skwarnicki. " Ce que nous pensions être juste un pentaquark s'est avéré être deux étroits, avec peu d'espace entre eux."

Les données ont également révélé un troisième pentaquark « compagnon ». "Les trois pentaquarks avaient le même schéma - un baryon avec une sous-structure de méson. Leurs masses étaient inférieures aux seuils appropriés de baryon-méson, " il ajoute.

La découverte de Skwarnicki s'est produite relativement rapidement, considérant que LHCb a cessé de collecter des données il y a moins de trois mois.

Eric Sedore, DSI associé pour les services d'infrastructure dans les Services des Technologies de l'Information (ITS), joué un rôle de soutien. Son équipe de recherche informatique a fourni la puissance de feu informatique nécessaire à Skwarnicki pour atteindre ses objectifs.

En plus de Skwarnicki et Stone, HEP comprend les professeurs Marina Artuso et Steven Blusk et le professeur adjoint Matthew Rudolph. Le groupe construit actuellement un appareil sur le campus appelé Upstream Tracker (UT), expédié et installé au CERN l'année prochaine dans le cadre d'une importante mise à niveau de LHCb.

« L'UT améliorera considérablement LHCb, qui est composé d'environ 10 sous-détecteurs différents. J'espère que l'UT mènera à plus de découvertes, " dit Skwarnicki, ajoutant qu'Artuso et Stone sont le chef et l'adjoint du projet UT, respectivement.

Skwarnicki est enthousiasmé par LHCb car il aide à expliquer le comportement des plus petits constituants de la matière. Sa dernière découverte, par exemple, prouve que les pentaquarks sont construits de la même manière que les protons et les neutrons, qui sont liés entre eux dans le noyau d'un atome.

« Les pentaquarks peuvent ne pas jouer un rôle important dans la matière dont nous sommes faits, " il dit, "mais leur existence peut affecter de manière significative nos modèles de la matière trouvée dans d'autres parties de l'univers, comme les étoiles à neutrons."