Materia visibile, o le cose che compongono le cose che vediamo, è fatto di particelle che possono essere pensate come mattoncini fatti di più mattoncini, sempre in diminuzione di dimensioni, fino al livello subatomico. Gli atomi sono fatti di cose come protoni e neutroni, che sono composti da elementi costitutivi ancora più piccoli come i quark. Lo studio di questi elementi costitutivi più piccoli richiede la sperimentazione in cui le particelle atomiche vengono accelerate e frantumate, poi lavoro teorico per capire e descrivere cosa è successo.

UConn Assistant Professor di Fisica Luchang Jin studia fisica delle particelle e nucleare, e sta lavorando per capire di più sulle particelle subatomiche e su come si comportano. Jin presenterà i recenti risultati alla riunione autunnale del 2021 della divisione di fisica nucleare dell'American Physical Society in ottobre.

"L'argomento descrive come i quark "cambiano i sapori, ' o transizione, a causa di interazioni deboli, " dice Jin. "Il Modello Standard descrive quattro tipi di interazioni e le interazioni deboli sono uno di questi. Studiamo i parametri che descrivono la probabilità di transizione".

I quark possono avere sei tipi di "sapori" o differenze di massa e carica—up, fascino, fuori uso, parte inferiore, superiore, e strano, e capendo come passano da un sapore all'altro, Jin dice, può aiutarci a capire di più sul funzionamento interno dell'universo.

Jin spiega che questa ricerca sta esaminando la probabilità che i quark up si trasformino in quark down. La probabilità di transizione di questo cambiamento di sapore e le probabilità che i quark up passino ad altri quark dovrebbero sommarsi a uno, ma non lo fanno, e questo deficit è intrigante.

"Questo potrebbe indicare qualcosa, per esempio che sfortunatamente in qualche modo non abbiamo misurato quei valori abbastanza accuratamente, " dice Jin. "Potrebbe indicare che ci sono alcune nuove particelle che non conosciamo ancora, e sarà molto eccitante. Il lavoro che sto cercando di fare è cercare di assicurarmi di misurare queste quantità con precisione".

Jin dice che gli aspetti sperimentali di questo lavoro sono in condizioni relativamente buone; il collo di bottiglia, però, è con l'aspetto teorico, che Jin spera di aiutare a risolvere determinando le relazioni tra le probabilità di transizione dei quark dai dati sperimentali delle probabilità di transizione degli adroni.

Gli adroni sono un tipo di particella subatomica composta da due o più quark classificati in base alla forza delle loro interazioni reciproche su una scala di "carica di colore". Però, alcune particelle cariche di colore non possono essere studiate in condizioni normali e vengono quindi chiamate "colore confinato". A causa del confinamento del colore, gli sperimentali non possono isolare un quark libero, i quark vivono sempre all'interno di adroni di colore neutro.

Utilizzando una serie di strumenti teorici come la grande scala, calcoli di Cromodinamica Quantistica (QCD) reticolare, e l'applicazione della teoria, come la teoria delle perturbazioni chirali, i ricercatori lavorano per comprendere meglio queste relazioni nei processi sperimentali, dice Jin.

"Sto lavorando per determinare le probabilità di transizione dei quark dagli input sperimentali. Ci sono molti input sperimentali diversi che si possono usare".

I ricercatori sono stati in grado di risolvere una parte del puzzle risolvendo l'incertezza nei calcoli teorici che mettono in relazione un input sperimentale con le probabilità di transizione dei quark desiderate.

"Però, che l'input sperimentale in sé non è molto accurato, " dice Jin. "Abbiamo risolto la parte teorica, ma quel processo di transizione degli adroni è un po' difficile per gli sperimentali. Se vogliamo davvero determinare la probabilità di transizione dei quark da quel processo, dobbiamo migliorare la precisione sperimentale di circa dieci volte. Dopo questo lavoro, diventerà un processo molto pulito dal punto di vista teorico."

Alla riunione dell'APS, Jin presenterà i dati che esplorano i parametri di un altro cambio di sapore; questa volta, per come un quark up passa a un quark strano.

Quel lavoro è simile, ei ricercatori sono stati in grado di applicare lo stesso calcolo e la stessa teoria per determinare le costanti a bassa energia rilevanti nella teoria delle perturbazioni chirali. "Ora conosciamo molto bene le costanti di bassa energia dovute a questo calcolo, ma questo non risolve l'intero problema a causa della limitazione della teoria della perturbazione chirale."

Jin presenterà anche dati più recenti per il lavoro in corso, comprese le innovazioni per tenere conto dei fotoni che possiedono proprietà che possono portare a difficoltà nei calcoli, riduzione della precisione, ed errore sistematico,

"Stiamo cercando di eseguire il calcolo del reticolo in un modo diverso per evitare completamente questi problemi dalla teoria delle perturbazioni chirali, "dice Jin.

Il lavoro per una maggiore precisione continua a comprendere i sapori e le forze che tengono insieme la materia visibile, dice Jin.

"Questo è un lavoro in corso e, naturalmente, procedere, uno non vede l'ora di provare a risolvere gli altri problemi. Questo lavoro è la frontiera della nostra comprensione della natura."