Institutionen för fysik och astronomi

Tord Johansson

Tord Johansson vid kärnfysik tilldelades 3 miljoner från Vetenskapsrådets stora utlysning i naturvetenskap och teknikvetenskap 2016 för perioden 2016-2020 för projektet "Fysik med hyperoner med särtal och charm i elektromagnetisk och stark växelverkan."

Projektbeskrivning av fysik med hyperoner med särtal och charm i elektromagnetisk och stark växelverkan

Hadronfysik är ett spännande vetenskapsområde i gränslandet mellan kärn- och elementarpartikelfysik. Här studeras den starka kraft som binder samman några av materiens mest fundamentala beståndsdelar, kvarkar och gluoner, till de partiklar vi observerar, hadronerna. Exempel på hadroner är baryoner (trekvarksystem) och mesoner (kvark-antikvarksystem). Protoner och neutroner, vanligen kallade nukleoner, är de mest kända exemplen på baryoner. Dessa nukleoner bygger upp atomkärnan och utgör mer än 99% av universums synliga massa.

Den teori i standardmodellen som beskriver hur kvarkar och gluoner växelverkar fungerar väl vid mycket korta avstånd, d.v.s. vid höga kollisionsenergier. I vissa avseenden liknar denna kraft den elektromagnetiska, men det finns en viktig skillnad: medan den elektromagnetiska kraftbäraren, fotonen, är elektriskt neutral, bär den starka kraftens  förmedlare, gluonen, själv den starka kraftens laddning. Detta ger en stark självkoppling som ger upphov till effekter som saknar motsvarighet inom den övriga fysiken. Ett exempel är att hadronernas beståndsdelar, d.v.s. kvarkarna och gluonerna, tillsammans bidrar med enbart någon procent till nukleonernas totala massa. Den resterande massan genereras av den starka växelverkan själv. Ett annat exempel är att kvarkar och gluoner inte kan observeras som fria partiklar utan bara sammanbundna till hadroner. Dessa båda fenomen - ursprunget till hadroners massa samt inneslutningen av kvarkar och gluoner inuti hadroner - tillhör de mest svårlösta och fascinerande gåtorna inom modern fysik. En förståelse av starka växelverkan vid lägre energier är en stor utmaning, men decennier av experimentella och teoretiska ansträngningar har ökat vår insikt i den starka kraften så att vi kan forma tydliga strategier för framtida forskning.

Ett sätt att öka vår förståelse av dessa sammansatta system är att undersöka hadronernas inre elektromagnetiska struktur. Vi intresserar oss särskilt för hyperoner. Dessa baryoner liknar nukleoner, men har en eller flera av de lätta u- och d-kvarkarna har ersatta med tyngre kvarkar. Faktum är att kvarkmodellen härstammar från likheterna mellan nukleoner och hyperoner. För att nå en djupare förståelse av hur dessa kvarkar bildar dessa sammansatta system behövs precisa studier av hyperonernas struktur. Detta kommer vi att studera har par av hyperoner och antihyperoner bildas vid kollisioner mellan elektroner och dess antipartiklar, positroner, vid BES III experimentet i Beijing, Kina.

Vid det kommande PANDA-experimentet på FAIR finns unika förutsättningar att studera hur dessa par av hyperoner och antihyperner  bildas vid kollisioner mellan protoner och antiprotoner. Förstudier visar att precisionsmätningar, speciellt med avseende på spinnets betydelse, har goda förutsättningar att nå nya, banbrytande resultat. Det kommer också bli möjligt att söka efter symmetribrott mellan partiklar och antipartiklar. Det är dock en stor utmaning att filtrera fram dessa händelser ur en hög bakgrund från andra reaktioner för vidare analys.  Hyperonerna är dock relativt långlivade och sönderfaller bortom reaktionspunkten och nyckeln till att skilja ut dessa händelser är att snabbt kunna rekonstruera dessa sönderfallspunkter vid datatagningen. Vi avser att utveckla metoder för att göra detta.