Tomasz Skwarnicki, professor i fysik vid College of Arts and Sciences vid Syracuse University, har avslöjat ny information om en klass av partiklar som kallas pentaquarks. Hans resultat kan leda till en ny förståelse av materiens struktur i universum.

Assisterad av Liming Zhang, docent vid Tsinghua University i Peking, Skwarnicki har analyserat data från Large Hadron Collider beauty (LHCb) -experimentet på CERNs Large Hadron Collider (LHC) i Schweiz. Den experimentella fysikern har avslöjat bevis på tre aldrig tidigare sett pentaquarks, var och en delad i två delar.

"Tills nu, vi hade trott att en pentaquark bestod av fem elementära partiklar [kallade kvarker], fast tillsammans. Våra resultat visar annat, säger Skwarnicki, stipendiat i American Physical Society.

Skwarnicki ingår i ett team av forskare, inklusive medlemmar i Syracuse's High-Energy Physics (HEP) Group, studera grundläggande partiklar och krafter i universum. Det mesta av deras arbete sker på CERN -laboratoriet, vars LHC är störst, världens mest kraftfulla partikeldetektor.

Det är inom LHC som protoner kastas samman vid höga energier, bara för att kollidera med varandra. Vad som finns inuti partiklarna, när det öppnas, hjälper forskare att undersöka mysterierna i det grundläggande universum.

Studerar protonkollisioner från 2015-18, Skwarnicki har bekräftat förekomsten av underkonstruktion i en pentaquark. Giveawayen, han säger, var en trio av smala toppar i LHC kinematiska data.

Varje topp refererar till en viss pentaquark - specifikt en delad i två delar:en baryon, som innehåller tre kvarker, och en meson, med två kvarker.

En topp tyder också på resonans, ett kortlivat fenomen under partikelförfall, där en instabil partikel förvandlas till flera andra. Resonans händer när protoner (en typ av baryon) möts - eller, mer exakt, glida in i varandra - under en LHC -kollision.

Det unika med var och en av dessa tre pentaquarks är att dess massa är något lägre än summan av dess delar - i detta fall, massorna av baryon och meson. "Pentaquark förföll inte av sin vanliga lätt, nedbrytningsprocess, "Säger Skwarnicki." Istället den förföll genom att långsamt och mödosamt omarrangera sina kvarker, bildar en smal resonans. "

Att förstå hur partiklar interagerar med och binder samman är Skwarnickis specialitet. 2015, han och sedan Ph.D. student Nathan Jurik G'16, Framstående professor Sheldon Stone och Zhang gjorde rubriker med sin roll i LHCb:s upptäckt av en pentaquark. Teoretiserade ett halvt sekel tidigare, deras upptäckt drog till sig LHC-data från 2011-12.

LHCb:s senaste data använde en energistråle som var nästan dubbelt så stark. Den här metoden, kombinerat med mer förfinade urvalskriterier för data, producerat ett större antal protonkollisioner.

"Det gav oss också 10 gånger mer data och gjorde det möjligt för oss att observera pentaquarkstrukturer tydligare än tidigare, "Säger Skwarnicki." Det vi trodde var bara en pentaquark visade sig vara två smala, med lite utrymme mellan dem. "

Uppgifterna avslöjade också en tredje "följeslagare" pentaquark. "Alla tre pentaquarks hade samma mönster-en baryon med en meson-understruktur. Deras massor låg under lämpliga baryon-meson-trösklar, " han lägger till.

Skwarnickis upptäckt skedde relativt snabbt, med tanke på att LHCb slutade samla in data för mindre än tre månader sedan.

Eric Sedore, associera CIO för infrastrukturtjänster inom IT (IT), spelat en biroll. Hans forskningsberäkningsteam gav den nödvändiga datorkraften för att Skwarnicki skulle kunna uppnå sina mål.

Förutom Skwarnicki och Stone, HEP inkluderar professorerna Marina Artuso och Steven Blusk och biträdande professor Matthew Rudolph. Gruppen bygger för närvarande en apparat på campus som heter Upstream Tracker (UT), skickas till och installeras på CERN nästa år som en del av en större LHCb -uppgradering.

"UT kommer att avsevärt förbättra LHCb, som består av cirka 10 olika sub-detektorer. Jag hoppas att UT kommer att leda till fler upptäckter, säger Skwarnicki, tillägger att Artuso och Stone är UT -projektets ledare och ställföreträdare, respektive.

Skwarnicki är upphetsad över LHCb eftersom det hjälper till att förklara hur de minsta beståndsdelarna i materia beter sig. Hans senaste upptäckt, till exempel, bevisar att pentaquarks är byggda på samma sätt som protoner och neutroner, som är bundna i atomkärnan.

"Pentaquarks spelar kanske inte någon betydande roll i det vi är gjorda av, " han säger, "men deras existens kan avsevärt påverka våra modeller av materia som finns i andra delar av universum, som neutronstjärnor. "