En ny studie publicerad i Nature Communications av forskare inom NA61/SHINE-samarbetet vid CERN har avslöjat en oväntad asymmetri i produktionen av kaoner (K-mesoner) vid högenergetiska kollisioner mellan argon- och scandiumkärnor. Resultaten visar att laddade kaoner (K⁺ och K⁻) produceras i betydligt högre grad än neutrala kaoner (K⁰ och anti-K⁰), vilket strider mot den förväntade isospinsymmetrin inom stark växelverkan.(Nature)
Vad är isospinsymmetri?
Isospinsymmetri är ett begrepp inom kärnfysiken som beskriver en nästan perfekt symmetri mellan upp- (u) och ner- (d) kvarkar i starka växelverkningar. Denna symmetri innebär att partiklar som endast skiljer sig åt genom att ha en u- eller d-kvark bör produceras i lika stora mängder vid kärnkollisioner. Kaoner, som består av en u- eller d-kvark kombinerad med en s-kvark (strange), förväntas därför uppvisa en balanserad produktion mellan sina laddade och neutrala former.
Studien och dess fynd
I experimentet kolliderades argon- och scandiumkärnor vid en center-of-mass-energi på 11,9 GeV per nukleonpar. Forskarna mätte förhållandet mellan producerade laddade och neutrala kaoner och fann att laddade kaoner producerades 18,4 ± 6,1 % oftare än neutrala kaoner. Denna skillnad är statistiskt signifikant med 4,7 standardavvikelser (σ), vilket tyder på en verklig effekt snarare än en slumpmässig variation.(Nature)
Möjliga förklaringar och deras begränsningar
Forskarlaget undersökte flera möjliga orsaker till den observerade asymmetrin:
- Masskillnader mellan kvarkar: Skillnaden i massa mellan u- och d-kvarkar kan leda till små avvikelser i produktionen av kaoner, men dessa förklarar endast en bråkdel av den observerade asymmetrin.(Nature)
- Resonansers sönderfall: Vissa resonanser, som ϕ(1020)-mesonen, kan sönderfalla oftare till laddade kaoner än till neutrala, men även detta bidrar endast marginellt till den totala asymmetrin.(Nature)
- Elektromagnetiska effekter: Interaktioner mellan laddade partiklar kan påverka produktionen, men dessa effekter är för små för att förklara den observerade skillnaden.(Sveriges Radio)
Sammanfattningsvis kan inga av de kända mekanismerna inom nuvarande teoretiska modeller fullt ut förklara den observerade asymmetrin i kaonproduktionen.(Nature)
Betydelse och framtida forskning
Denna upptäckt utmanar vår förståelse av isospinsymmetrin inom stark växelverkan och kan ha långtgående konsekvenser för teorier om kvark-gluonplasma och hadronisering i högenergetiska kärnkollisioner. Forskare planerar nu ytterligare experiment med olika kärnor och energier för att undersöka om denna asymmetri är universell eller beroende av specifika förhållanden.(Nature)
Källor
- Nature Communications: Evidence of isospin-symmetry violation in high-energy collisions of atomic nuclei(Nature)
Kategorier
- Fysik: Studien handlar om grundläggande symmetrier inom kärnfysik och stark växelverkan.
- Kärnfysik, Partikelfysik, Isospinsymmetri, Kaonproduktion
