Measurement of $e^{+} e^{-}\to p\bar{p}$ around $\psi(2S)$ with scan method

In het hart van de materie, waar protonen en neutronen zijn opgebouwd uit nog kleinere deeltjes die quarks worden genoemd, is er een reeks regels die bepaalt hoe deze piepkleine stukjes aan elkaar plakken en uit elkaar vliegen. Deze regels worden beschreven door een theorie genaamd Kwantumchromodynamica, die fungeert als de instructiehandleiding voor de sterke kracht, de krachtigste lijm in het universum. Hoewel deze theorie perfect werkt voor sommige situaties, wordt het ongelooflijk moeilijk om op te lossen wanneer deeltjes langzaam bewegen of op complexe manieren interageren. Natuurkundigen zijn gefascineerd door een specifieke familie deeltjes genaamd charmonium, die bestaan uit een zware charm-quark en zijn antimaterie-tweeling. Deze deeltjes zijn zwaar genoeg om met hoge precisie bestudeerd te worden, maar licht genoeg zodat de rommelige, complexe regels van de sterke kracht nog steeds hun gedrag domineren. Door te observeren hoe deze deeltjes worden gecreëerd en hoe ze vervallen in andere deeltjes, hopen wetenschappers de verborgen mechanica van de sterke kracht te ontdekken en te zien hoe deze concurreert met de elektromagnetische kracht, dezelfde kracht die ervoor zorgt dat magneten plakken en bliksem inslaat.

Een recente studie door de BESIII-collaboratie heeft een frisse blik geworpen op een van deze charmonium-deeltjes, bekend als de psi-2S. Dit deeltje is een iets zwaardere versie van het beroemde J/psi-deeltje en is instabiel, wat betekent dat het snel uiteenvalt in andere deeltjes. De onderzoekers waren bijzonder geïnteresseerd in wat er gebeurt wanneer de psi-2S vervalt in een proton en een antiproton. In de wereld van de deeltjeskunde kan dit verval op twee verschillende manieren tegelijkertijd plaatsvinden: ofwel via de sterke kracht, waarbij gluonen worden uitgewisseld, ofwel via de elektromagnetische kracht, waarbij een virtueel foton betrokken is. Omdat beide processen gelijktijdig kunnen optreden, interfereren ze met elkaar, net zoals twee rimpelingen in een vijver elkaar ontmoeten om een nieuw patroon te creëren. De sleutel tot het begrijpen van deze interactie ligt in het meten van de relatieve timing, of fase, tussen deze twee krachten. Als de timing niet klopt, kunnen de krachten elkaar opheffen; als ze wel zijn uitgelijnd, kunnen ze het resultaat versterken. Het bepalen van deze timing is cruciaal omdat het natuurkundigen helpt te begrijpen of de sterke en elektromagnetische krachten op een voorspelbare, universele manier werken of dat er verrassingen verborgen liggen in de details.

Om dit puzzelstukje op te lossen, vertrouwde het team niet op een enkele snapshot van data. In plaats daarvan voerden ze een zorgvuldige scan uit, waarbij ze data verzamelden op negen iets verschillende energieniveaus rond de massa van het psi-2S-deeltje. Deze methode stelde hen in staat om de exacte vorm van de resonantie in kaart te brengen, wat de piek in de data is die de aanwezigheid van het deeltje markeert. Door te analyseren hoe het aantal proton-antiproton-paren veranderde terwijl ze door deze energieniveaus bewogen, konden de onderzoekers de bijdragen van de sterke kracht, de elektromagnetische kracht en een achtergrondproces dat zelfs zonder de resonantie plaatsvindt, van elkaar scheiden. Ze gebruikten de BESIII-detector, een massief instrument dat zich bevindt in de Beijing Electron Positron Collider, om de botsingen te registreren. De detector werkt als een gigantische, hogesnelheidscamera die de paden van geladen deeltjes volgt en hun energie meet, waardoor het team de specifieke gebeurtenissen kon identificeren waarbij een proton en een antiproton werden gecreëerd.

Na het verzamelen van een totaal van 495 inverse picobarn aan data, paste het team strikte criteria toe om ervoor te zorgen dat ze naar de juiste gebeurtenissen keken. Ze filterden kosmische straling en andere achtergrondruis eruit, en concentreerden zich alleen op paren deeltjes die overeenkwamen met het verwachte gedrag van een proton en een antiproton. De analyse onthulde een duidelijk signaal, waarbij het aantal gedetecteerde gebeurtenissen steeg en daalde in een patroon dat overeenkwam met de theoretische voorspellingen voor de psi-2S-resonantie. De onderzoekers gebruikten vervolgens een geavanceerd wiskundig model om de vorm van deze data te fitten, waarmee de waarden van de onderliggende fysische parameters werden geëxtraheerd. Ze ontdekten dat de relatieve fase tussen de sterke en elektromagnetische amplitudes niet nul of honderd en zestig graden is, zoals sommige eenvoudige theorieën zouden suggereren, maar eerder rond een waarde ligt van ongeveer honderd en zes graden of negatief honderd en vijf graden. Deze twee oplossingen vertegenwoordigen twee verschillende manieren waarop de wiskunde kan werken, maar beide wijzen naar dezelfde fysieke realiteit: de twee krachten staan qua timing bijna loodrecht op elkaar.

Met deze fasemeting in de hand berekende het team de waarschijnlijkheid, of vertakkingsfractie (branching fraction), van het verval van de psi-2S in een proton en een antiproton. Ze vonden dat deze waarschijnlijkheid ongeveer drie punt twee één keer tien tot de macht negat vier, of drie punt vier zeven keer tien tot de macht negat vier is, afhankelijk van welke van de twee wiskundige oplossingen wordt gekozen. Deze resultaten zijn iets hoger dan eerdere metingen, maar blijven consistent binnen de foutmarge. De studie leverde ook een nieuwe, precieze meting van de effectieve vormfactor, een grootheid die de interne structuur van het proton beschrijft zoals gezien door de botsende deeltjes. De resultaten toonden een vloeiende curve die goed overeenkomt met eerdere bevindingen uit andere experimenten, waardoor een gat in de data rond de energie van de psi-2S werd opgevuld.

De betekenis van deze bevindingen ligt in hun vermogen om de grenzen van ons huidige begrip te testen. Het feit dat de fase niet nul is, suggereert dat het eenvoudige idee dat de sterke en elektromagnetische krachten perfect synchroon of perfect uit de pas lopen, onjuist is. In plaats daarvan ondersteunen de gegevens een complexer beeld waarbij deze krachten op een manier interageren die universeel is voor verschillende soorten deeltjesvervallen. Hoewel de exacte reden voor deze specifieke hoek een mysterie blijft voor theoretisch natuurkundigen om te verklaren, biedt de experimentele meting een solide anker voor toekomstige theorieën. Door te bevestigen dat de interferentie tussen deze krachten een voorspelbaar patroon volgt, helpt de studie bij het verfijnen van de modellen die beschrijven hoe materie van onderaf is opgebouwd. Het werk staat als een testament voor de kracht van precisie-meting, waarbij wordt getoond hoe het zorgvuldig scannen van het energielandschap de subtiele, verborgen ritmes van de subatomaire wereld kan onthullen.