Eksotisk aldrig før set partikel opdaget ved CERN

Large Hadron Collider Beauty (LHCb) -projektet har observeret en eksotisk partikel, der består af fire charmekvarker for første gang.

LHCb-samarbejdet har observeret en type fire-kvark-partikel, som aldrig er set før. Opdagelsen, præsenteret på et nyligt seminar på CERN og beskrevet i et papir offentliggjort i dag, vil sandsynligvis være den første af en tidligere uopdaget klasse af partikler, som fysikere aldrig før har set.

Fundet vil hjælpe fysikere til bedre at forstå kvarker, en type elementarpartikel, som er en grundlæggende byggesten i alt stof. Kvarker dannes sammen for at danne sammensatte partikler kendt som hadroner, som omfatter protoner og neutroner. Denne banebrydende nye opdagelse kan hjælpe videnskabsmænd nu med at forstå de komplekse måder, hvorpå kvarker binder sig sammen for at danne disse sammensatte.

Kvarker kombineres typisk i grupper på to og tre for at danne hadroner. I årtier, imidlertid, teoretikere har forudsagt eksistensen af ​​fire-kvark- og fem-kvark-hadroner, som nogle gange beskrives som tetraquarks og pentaquarks, og i de senere år har eksperimenter inklusive LHCb bekræftet eksistensen af ​​flere af disse eksotiske hadroner.

Disse partikler lavet af usædvanlige kombinationer af kvarker er et ideelt "laboratorium" til at studere en af ​​de fire kendte fundamentale naturkræfter, den stærke interaktion, der binder protoner, neutroner og de atomkerner, der udgør stoffet. Detaljeret viden om det stærke samspil er også afgørende for at afgøre, om nye, uventede processer er et tegn på ny fysik eller bare standardfysik.

"Partikler bestående af fire kvarker er allerede eksotiske, og den, vi lige har opdaget, er den første, der består af fire tunge kvarker af samme type, specifikt to charme-kvarker og to charme-antikvarker, " siger den afgående talsmand for LHCb-samarbejdet, Giovanni Passaleva. "Indtil nu, LHCb og andre eksperimenter havde kun observeret tetraquarks med højst to tunge kvarker og ingen med mere end to kvarker af samme type."

Indkommende LHCb-talsmand, Chris Parkes fra University of Manchester sagde:"Det er en stor fornøjelse og ære at tage over som LHCb-talsmand. Samarbejdet omfatter over 1400 medlemmer fra 19 forskellige lande, et fællesskab, der arbejder sammen for at fremme vores videnskabelige mål. University of Manchester og de andre ti institutioner i Storbritannien spiller en ledende rolle i samarbejdet.

"Dagens opdagelse åbner endnu et spændende kapitel i denne videnskabelige bog, giver os mulighed for at studere vores teori om stofpartikler i et ekstremt tilfælde. Denne partikel er et ekstremt tilfælde - det er en eksotisk-hadron, indeholdende fire kvarker i stedet for de to eller tre i konventionelle stofpartikler, og den første til at indeholde tunge kvarker.

"At studere et ekstremt system giver videnskabsmænd mulighed for at stressteste vores teorier. Gennem studiet af denne partikel, og håbet om, at vi vil opdage flere partikler i denne klasse i fremtiden, vi vil teste vores teori om, hvordan kvarker kombineres, som også styrer protoner og neutroner."

LHCb-holdet fandt den nye tetraquark ved hjælp af partikeljagtteknikken til at lede efter et overskud af kollisionshændelser, kendt som en "bump", over en jævn baggrund af begivenheder. Sigte gennem de fulde LHCb-datasæt fra den første og anden kørsel af Large Hadron Collider, som fandt sted fra henholdsvis 2009 til 2013 og fra 2015 til 2018, forskerne opdagede et bump i massefordelingen af ​​partikler, som består af en charmekvark og en charmeantikvark.

Bumpet har en statistisk signifikans på mere end fem standardafvigelser, den sædvanlige tærskel for at påstå opdagelsen af ​​en ny partikel, og det svarer til en masse, hvor partikler sammensat af fire charme-kvarker forudsiges at eksistere.

Som med tidligere tetraquark -opdagelser, det er ikke helt klart, om den nye partikel er en "ægte tetraquark", det er, et system af fire kvarker, der er tæt bundet sammen, eller et par to-kvark-partikler, der er svagt bundet i en molekylelignende struktur. På den ene eller anden måde, den nye tetraquark vil hjælpe teoretikere med at teste modeller af kvantekromodynamik, teorien om det stærke samspil.

Papiret, Observation af struktur i J/ψ-par massespektret, udgives på arXiv preprint-serveren.