LHCb fanger hurtigt roterende charmoniumpartikler

LHCb-samarbejdet har opdaget en ny partikel. Dens masse og andre egenskaber placerer den helt i charmonium-familien, der inkluderer den bedre kendte J/ψ-partikel, som var den første partikel, der indeholdt en "charme-kvark", der blev opdaget og vandt sine opdagere en Nobelpris i fysik. Fremtidige undersøgelser af egenskaberne af denne nye charmonium-stat og dens slægtninge vil hjælpe fysikere til bedre at forstå den stærke kraft, der binder kvarker sammen, blandt de mindste partikler, vi kender til.

Charmonium-partikler er to-kvark-partikler (kaldet mesoner) sammensat af en charme-kvark og dens antistof-modstykke, charme-antikvarken. Charm-kvarker er den tredje mest massive af seks kvarktyper. Ligesom atomer, mesoner kan observeres i ophidsede tilstande med højere energi, hvor mesonernes konstituerende kvarker bevæger sig rundt om hinanden i forskellige konfigurationer. Disse forskellige arrangementer giver anledning til et spektrum af partikler med forskellige masser og kvanteegenskaber såsom spin, som kan opfattes som rotationen af ​​et system omkring dets akse.

At observere sådanne exciterede tilstande og måle deres egenskaber giver en måde at teste modeller for kvantekromodynamik (QCD), teorien, der beskriver, hvordan kvarker hænger sammen til sammensatte partikler. Hvad mere er, viden om den fulde samling af disse tilstande hjælper med at identificere eksotiske tilstande med mere end tre kvarker, såsom tetraquarks, som også er forudsagt af QCD, men først for nylig er blevet opdaget. Hvis der tages højde for alle de ophidsede tilstande, fysikere kan være mere sikre på, at de resterende er eksotiske.

For at fange den nye charmonium-partikel, LHCb-samarbejdet, et af de fire hovedeksperimenter ved Large Hadron Collider, undersøgte henfaldene af charmoniumtilstande produceret i proton-protonkollisioner i par af D mesoner, ved hjælp af data registreret mellem 2011 og 2018; D mesoner er de letteste partikler, der indeholder charmekvarker. Samarbejdet målte rækkevidden af ​​masser af D-meson-parrene og adderede derefter, hvor mange gange de registrerede hver masseværdi inden for det målte område. De ledte derefter efter et overskud af begivenheder, eller bump, i denne massefordeling, og fandt en ny, smal top ved en masse, der svarer til en tidligere uobserveret charmoniumtilstand kaldet ψ3(1D). Partiklen har en spin-værdi på 3, hvilket gør dette til den første observation af en spin-3 charmonium tilstand. Den høje spinværdi kunne forklare toppens smalle bredde og det faktum, at det har taget så lang tid at finde.