Kollision am LHC verstärkt Quarks als Elementarteilchen ohne innere Struktur

Der CMS-Detektor am Grande Colisor des CERN analysierte Protonenkollisionen und fand keine Hinweise auf eine innere Struktur in den Quarks. Die Forschung nutzte Daten aus der zweiten Betriebsphase des LHC und testete Skalen bis zu 10⁻²⁰ Metern. Die Ergebnisse untermauern das aktuelle Modell der Teilchenphysik.

Quarks bilden Protonen und Neutronen, die wiederum gewöhnliche Materie bilden. Die Theorie beschreibt sie als Punktteilchen ohne kleinere Teile. Frühere Experimentoss haben diese Ansicht bereits bestätigt, aber die Suche nach tieferen Schichten geht weiter. Die neue Studie verschiebt die Beobachtungsgrenze.

Rutherford leitete die aktuelle Untersuchungsmethode

Das Experiment folgt dem von Ernest Rutherford im Jahr 1911 verwendeten Prinzip. Ele beschoss Goldfolie mit Alphateilchen und beobachtete Streuwinkel. Die meisten gingen direkt durch, aber einige prallten ab. Isso zeigte den im Zentrum konzentrierten Atomkern.

Am LHC werden diese Protonen durch Protonenkollisionen in Quarks zerlegt. Die Quarks entstehen als Teilchenjets. Das CMS misst die Winkelverteilung zwischen diesen Jets. Wenn Quarks eine innere Struktur hätten, würde sich die Form der Jets bei bestimmten Energien ändern. Die erhobenen Daten zeigen diese signifikante Abweichung nicht.

Das Team untersuchte mehr als eine Million Ereignisse. Die Winkelverteilungen stimmen mit den Modelo Padrão-Vorhersagen für Punktpartikel überein. Pequenas-Unterschiede treten in hohen Massenbereichen auf, unterliegen jedoch statistischen und systematischen Unsicherheiten.

Análise nutzt 138 fb⁻¹ Daten bei 13 TeV

Die Studie basiert auf Kollisionen bei 13 Teraelektronenvolt. Die integrierte Helligkeit erreicht 138 fb⁻¹. Die Forscher korrigierten Detektoreffekte und verglichen sie mit störenden QCD-Berechnungen in NNLO-Reihenfolge sowie elektroschwachen NLO-Korrekturen.

• Distribuições normalisierte Winkelwinkel in verschiedenen Di-Jet-Massenbereichen
• Direktes Comparação mit Compound-Quark-Szenarien
• Limites in Kontaktwechselwirkungen zwischen Quarks
• Restrições zu zusätzlichen Dimensionen, Quantenschwarzen Löchern und Vermittlern der Dunklen Materie

Die bisher strengsten Grenzwerte schließen zusammengesetzte Quarks oberhalb bestimmter Energieskalen aus. Im Referenzmodell mit linkshändigen Quarks liegt die Grenze für konstruktive Interferenz bei 37 TeV.

Quarks bleiben als grundlegende Blöcke erhalten

Die Physik hat bereits mehrere Revolutionen durchgemacht. Átomos waren bis zur Entdeckung des Kerns unteilbar. Prótons und Neutronen schienen elementar zu sein, bis 1968 am SLAC Quarks bestätigt wurden. Agora, das CMS treibt den Test auf Entfernungen voran, die tausendmal kleiner als die Größe des Protons sind.

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Da Mesmo keine Anzeichen einer Unterstruktur aufweist, schließen Wissenschaftler Möglichkeiten in noch kleineren Maßstäben nicht aus. Das aktuelle Experiment begrenzt Strukturen, die größer als 10⁻²⁰ m sind. Isso entspricht etwa einem Hunderttausendstel des Durchmessers eines Protons.

Das Ergebnis schränkt auch andere Phänomene über Modelo Padrão hinaus ein. Für Acoplamentos anomale Gluonen, axionartige Teilchen und Mediatoren der Dunklen Materie gelten strengere Grenzwerte. Die Analyse umfasst mehrere theoretische Modelle in einer einzigen Veröffentlichung.

Futuro des LHC wird mehr Präzision bringen

In der dritten Phase des LHC-Betriebs werden bereits neue Daten gesammelt. Das für 2030 geplante Upgrade des HiLumi LHC wird die Kollisionsrate drastisch erhöhen. Mit mehr Statistiken werden Forscher die Unsicherheiten bei der Messung des Streuwinkels verringern.

Das genauere Medições könnte subtile Abweichungen aufdecken oder das Punktverhalten von Quarks weiter bestätigen. CMS plant, die Suche nach Anzeichen neuer Physik in der Strahlverteilung fortzusetzen.

Die gewöhnliche Materie um uns herum hängt von diesen Teilchen ab. Die Entdeckung von Qualquer über seine Zusammensetzung würde das Verständnis des Universums beeinflussen, einschließlich Themen wie Dunkle Materie und Vereinigung der Kräfte. Quarks behalten vorerst ihre Stellung als Elementarteilchen.

Wissenschaftler betonen, dass das Fehlen von Beweisen kein Beweis für die endgültige Abwesenheit ist. Experimentos-Futures mit höheren Energien oder anderen Techniken könnten noch kleinere Entfernungen erkunden. Der LHC bleibt das wichtigste Instrument für diese Grenze.