Forskere opdager den første åben-charme tetraquark

LHCb-eksperimentet på CERN har udviklet en forkærlighed for at finde eksotiske kombinationer af kvarker, de elementære partikler, der samles for at give os sammensatte partikler, såsom den mere velkendte proton og neutron. I særdeleshed, LHCb har observeret adskillige tetrakvarker, hvilken, som navnet antyder, er lavet af fire kvarker (eller rettere to kvarker og to antikvarker). At observere disse usædvanlige partikler hjælper forskere med at fremme vores viden om den stærke kraft, en af ​​de fire kendte fundamentale kræfter i universet. På et CERN -seminar holdt stort set den 12. august, LHCb annoncerede de første tegn på en helt ny slags tetraquark med en masse på 2,9 GeV/c²:den første sådan partikel med kun én charme-kvark.

Først forudsagt at eksistere i 1964, videnskabsmænd har observeret seks slags kvarker (og deres antikvarker) i laboratoriet:op, ned, charme, mærkelig, Top og bund. Da kvarker ikke frit kan eksistere, de grupperer sig for at danne sammensatte partikler:tre kvarker eller tre antikvarker danner "baryoner" som protonen, mens en kvark og en antiquark danner "mesoner".

LHCb-detektoren ved Large Hadron Collider (LHC) er viet til studiet af B mesoner, som enten indeholder en bund eller en antikilde. Kort efter at være blevet produceret i proton-proton-kollisioner ved LHC, disse tunge mesoner transformerer - eller "henfalder" - til en række lettere partikler, som selv kan gennemgå yderligere transformationer. LHCb -forskere observerede tegn på den nye tetraquark i et sådant henfald, hvor den positivt ladede B-meson omdannes til en positiv D-meson, en negativ D meson og en positiv kaon:B ⁺ → D ⁺ D ^- K ⁺ . I alt, de studerede omkring 1300 kandidater til denne særlige transformation i alle de data, LHCb -detektoren har registreret hidtil.

Den veletablerede kvarkmodel forudsiger, at nogle af D ⁺ D ⁻ par i denne transformation kunne være resultatet af mellemliggende partikler - såsom ψ (3770) mesonen - der kun manifesterer sig øjeblikkeligt:​​B ⁺ → ψ (3770) K ⁺ → D ⁺ D ^- K ⁺ . Imidlertid, teori forudsiger ikke mesonlignende mellemmænd, hvilket resulterer i en D ⁻ K ⁺ par. LHCb var derfor overrasket over at se et tydeligt bånd i deres data svarende til en mellemtilstand, der transformeres til en D ^- K ⁺ par med en masse på omkring 2,9 GeV/c², eller omkring tre gange massen af ​​en proton.

Dataene er blevet fortolket som det første tegn på en ny eksotisk tilstand på fire kvarker:en antikarm, en op, en dun og en antistrange (c̄uds̄). Alle tidligere tetraquark-lignende tilstande observeret af LHCb havde altid et charm-anticharm-par, resulterer i netto-nul "charme smag." Den nyligt observerede tilstand er første gang, der er set en tetraquark indeholdende en eneste charme, som er blevet kaldt en "open-charm" tetraquark.

"Da vi første gang så overskuddet i vores data, vi troede der var en fejl, " siger Dan Johnson, der ledede LHCb -analysen. "Efter flere års analyse af dataene, vi accepterede, at der virkelig er noget overraskende! "

Hvorfor er dette vigtigt? Det sker sådan, at juryen stadig er ude om, hvad en tetraquark egentlig er. Nogle teoretiske modeller favoriserer forestillingen om, at tetraquarks er par af forskellige mesoner bundet midlertidigt sammen som et "molekyle, "mens andre modeller foretrækker at tænke på dem som en enkelt sammenhængende enhed af fire partikler. Identificering af nye slags tetraquarks og måling af deres egenskaber- såsom deres kvantespin (deres iboende rumlige orientering) og deres paritet (hvordan de fremstår under et spejl- som transformation) – vil hjælpe med at tegne et klarere billede af disse eksotiske indbyggere i det subatomære domæne. Johnson tilføjer:"Denne opdagelse vil også give os mulighed for at stress-teste vores teorier i et helt nyt domæne."

Mens LHCb's observation er et vigtigt første skridt, flere data vil være nødvendige for at verificere arten af ​​strukturen observeret i B ⁺ henfald. LHCb-samarbejdet vil også forudse uafhængig verifikation af deres opdagelse fra andre dedikerede B-fysikeksperimenter såsom Belle II. I mellemtiden, LHC leverer fortsat nye og spændende resultater for eksperimentelle og teoretikere at grave i.