Observation af fire-charme-kvarkstruktur

Det stærke samspil er en af ​​naturens grundlæggende kræfter, som binder kvarker til hadroner såsom protonen og neutronen, byggestenene til atomer. Ifølge kvarkmodellen, hadroner kan dannes af to eller tre kvarker, kaldet henholdsvis mesoner og baryoner og betegnes samlet som konventionelle hadroner. Kvarkmodellen tillader også eksistensen af ​​såkaldte eksotiske hadroner, sammensat af fire (tetraquarks), fem (pentaquarks) eller flere kvarker. Et stort spektrum af eksotiske hadroner forventes ligesom for de konventionelle. Imidlertid, intet entydigt signal om eksotiske hadroner blev observeret indtil 2003, da tilstanden X (3872) blev opdaget af Belle -eksperimentet. I de følgende år, et par flere eksotiske stater blev opdaget. Forklaringen af ​​deres egenskaber kræver eksistensen af ​​fire konstituerende kvarker. Identifikation af pentaquark -tilstande er endnu vanskeligere, og de første kandidater blev observeret ved LHCb -eksperimentet i 2015. Alle disse kendte tilstande indeholder højst to tunge kvarker - skønheds- eller charmekvarken.

For nylig, ved at studere den uforanderlige massefordeling af to J/ψ mesoner produceret i proton-proton-kollisioner ved massemidt-energier op til 13 TeV, LHCb -samarbejdet observerede to strukturer. Den smallere struktur beskrives som en hadron -massetilstand omkring 6900 MeV/c ² , betegnet som X (6900). Da J/ψ meson indeholder en charme (c) og en anticharm kvark (bar {c}), den nye tilstand foreslår et minimalt kvarkindhold af ccbar {c} bar {c}, hvilket gør det til en kandidat til tetramater med fire charme. Den anden struktur, være bred og tæt på to gange J/ψ hvilemassen, kan skyldes en anden tetraquark med større bredde eller en kombination af flere overlappende tetraquark -tilstande.

"Det er meget spændende at se det første eksperimentelle bevis på en tetraquark med fire charme. Den nye stats unikke sammensætning gør det til et ideelt laboratorium for at få indsigt i den stærke interaktion inde i hadroner, "siger LHCb -fysikeren, der arbejder på INFN -sektionen i Firenze, Liupan An.

Mens kvantekromodynamik (QCD) er den almindeligt anvendte teori til at beskrive den stærke interaktion, forståelse af den interne struktur af en hadron er endnu ikke mulig ud fra første-princip-beregninger. Modeller, der tilnærmer QCD, introduceres for at forklare kvarkers bindingsmekanisme til hadroner. I det molekylære billede, en eksotisk tilstand dannes af to svagt bundne konventionelle hadroner som deuteron. Molekylstrukturen er i øjeblikket den foretrukne fortolkning af de smalle pentaquarks observeret af LHCb og X (3872) -tilstanden.

Imidlertid, hadroniske tilstande, der udelukkende er fremstillet af tunge kvarker, forventes at være stramt afgrænsede; for eksempel, en tetraquark med fire charme anses normalt for at være dannet af en cc-diquark og abar {c} bar {c} -antidiquark, der tiltrækker hinanden. Cc-diquark-modellen forudsagde med succes massen af ​​Ξcc ++ baryonen, der blev observeret af LHCb i 2017. Rescattering af kendte hadroner gennem den stærke interaktion er også mulig for at skabe strukturer, der ligner en hadron-tilstand. Arten af ​​de nyligt observerede fire-charme-tilstande er endnu ikke fastlagt, selvom en kompakt tetraquark-fortolkning foretrækkes.

"LHCb-observationen åbner et nyt vindue for undersøgelser af multiquark hadronspektroskopi. Flere undersøgelser fra både eksperimentelle og teoretiske fysikere vil give mulighed for at forstå arten af ​​tilstanden med fire charme, "siger Yanxi Zhang, arbejder på LHCb -eksperimentet på Peking University.

"Hvis fortolkningen af ​​fire-tunge-kvark er korrekt, et fuldt spektrum af disse tæt bundne tilstande forventes at blive opdaget ud fra de data, som LHCb vil kunne indsamle i den nærmeste fremtid. Målinger af masserne og bredderne af disse tilstande, som kan forudsiges i QCD med relativt høj præcision, vil give en sonderende test af vores forståelse af de grundlæggende vekselvirkninger mellem hadroner, "tilføjer Giacomo Graziani fra INFN Florence.

LHCb er et af de fire store eksperimenter placeret ved den mest kraftfulde partikelaccelerator i verden, Large Hadron Collider (LHC) på CERN. LHCb -eksperimentet er dedikeret til præcisionsmålinger af partikler, der indeholder charme eller skønhedskvarker, sigter mod at udforske det materielle antimateriale asymmetri-puslespil, leder efter indirekte bevis på ny fysik, og undersøge den stærke interaktion. Samarbejdet består af mere end 1400 fysikere og ingeniører fra hele verden.

"Dette er et vigtigt skridt fremad i udforskningen af ​​hadrons interne struktur og dynamik." sagde prof. Yuanning Gao, leder af den kinesiske LHCb -gruppe, "LHCb -eksperimentet har igen vist sin evne inden for tung smagsspektroskopi, og vil fortsat bidrage til forståelsen af ​​det stærke samspil. "

Den stærke interaktion bliver ved med at overraske os med nye strukturer og nye fænomener efter flere årtiers søgen og vil helt sikkert gøre det igen i fremtiden.