LHCb-eksperimentet fører til observation af en eksotisk tetraquark

I løbet af det 20. århundrede har fysikere opdaget adskillige elementarpartikler. Den største familie af disse partikler er de såkaldte hadroner, subatomære partikler, der deltager i stærke vekselvirkninger.

Denne brede familie af partikler indeholder adskillige undersæt af partikler med lignende egenskaber. I 1964 introducerede M. Gell-Mann og G. Zweig en berømt teori kendt som "Quark-modellen", som klart skitserede hadronernes indre struktur.

Quark-modellen antyder, at hadroner består af enten tre kvarker (baryoner) eller kvark-antikvark-par (mesoner). Mens mange afdækkede hadroner falder ind under en af ​​disse to kategorier, antager modellen også, at der findes hadroner med mere komplekse strukturer, såsom pentaquarks (dvs. fire kvarker og en antiquark) og tetraquarks (dvs. to kvark-antikvarker).

Mange undersøgelser i 1970'erne teoretiserede om de mulige mekanismer, der understøtter dannelsen af ​​disse komplekse hadronstrukturer. Alle de hadroner, der blev afdækket frem til 2003, havde strukturer, der matcher en af ​​de to hovedtyper, der er beskrevet af Quark-modellen, men nogle af de partikler, der blev observeret efter den dato, er svære at forklare ved hjælp af modellen.

LHCb-eksperimentet er en detektor ved CERN Large Hadron Collider, primært rettet mod at afsløre forskelle mellem stof og antistof ved at studere en specifik type partikel, kendt som "skønhedskvarken". LHCb Collaboration, den store gruppe forskere, der er involveret i eksperimentet, har for nylig observeret en eksotisk tetraquark med en usædvanlig struktur, der indeholder to charme-kvarker.

"Opdagelsen af ​​den tunge charme-kvark i 1974 (observation af J/ψ-mesoner i 1974, ofte kaldet 'novemberrevolution') og endnu tungere skønhedskvark i 1977, førte til erkendelsen af, at tetrakvarker bestående af to tunge kvarker og to lette antikvarker kunne have interessante og usædvanlige egenskaber," sagde Vanya Belyaev, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org. "Men eksperimentelle faciliteter, der var egnede til at søge og studere sådanne 'dobbelt tunge' objekter, dukkede først op i det 21. århundrede, med starten på Large Hadron Collider ved CERN."

Ved LHC-kollideren kan fysikere studere kollisioner mellem protoner ved meget høje energier, som fremmer produktionen af ​​talrige tunge og dobbelt tunge partikler. I 2011 og 2012 analyserede LHCb-samarbejdet en lille brøkdel af de data, der blev indsamlet ved LHC og fandt ud af, at sandsynligheden for samtidig produktion af to charm-anticharm-kvarkpar ved disse høje energier var langt fra lav, hvilket tyder på, at kollideren kunne muliggøre observation af dobbelt tunge genstande.

"Med flere data rapporterede LHCb-samarbejdet i 2017 en observation af den dobbelte charme-baryon Ξ_cc ⁺⁺ bestående af de to charme-kvarker og let u-quark," forklarede Belyaev. "Med denne observation blev det klart, at hvis der eksisterer dobbelt charme-tetraquarks, ville deres observation kun være et spørgsmål om tid."

Efter LHCb's observation af den dobbelte charme baryon Ξ_cc ⁺⁺ , M.Karliner og J.Rosner var i stand til at bruge sine målte egenskaber til præcist at forudsige de egenskaber, som en hypotetisk tetraquark ville have. Sådan en tetraquark ville bestå af to charmekvarker, en u-antikvark og en d-antikvark. Den teoretiske partikel fik navnet T_cc ⁺ .

"De forudsagte egenskaber for T_cc ⁺ tetraquark indebærer, at partiklen vil vise sig selv som en smal top i massefordelingen for parret af charmerede mesoner D ^*+ og D ⁰ , hvor D ^*+ og D ⁰ er konventionelle charmerede mesoner bestående af (charm quark og anti-d-quark) og (charm quark og anti-u-quark)," sagde Belyaev. "Det er interessant at bemærke, at den forudsagte masse af T_cc ⁺ tetraquark er meget tæt på summen af ​​masser af D ^*+ og D ⁰ mesoner, hvilket også betyder, at hvis massen blot vil være 1 % lavere end den forudsagte værdi, vil egenskaberne for T_cc ⁺ vil være meget anderledes og vil ikke være synlig i D ^*+ og D ⁰ massespektrum. Hvis massen bliver blot 5 % højere, vil toppen være bred (eller endda meget bred), og det vil være meget svært, næsten umuligt, at observere eksperimentelt."

I det væsentlige pegede arbejdet af M. Karliner og J. Rosner på de nøjagtige forhold, der ville være egnede til at observere den hypotetiske T_cc ⁺ tetraquark. Deres forudsigelser var i sidste ende det, der styrede det seneste arbejde af LHCb-samarbejdet.

I deres undersøgelse studerede samarbejdet omhyggeligt massespektret af D ^*+ og D ⁰ mesonpar, ved hjælp af et datasæt, der indeholder alle de data, der er akkumuleret ved LHC-kollideren fra 2011 til 2018. I deres tidligere analyse, udført i 2012, brugte forskerne kun 4 % af de tilgængelige data i dag til at studere området for de relativt store masser af D ^*+ og D ⁰ par.

I deres nye analyse fokuserede de specifikt på det område af masser, der er tættere på summen af ​​D ^*+ og D ⁰ mesonmasser. I denne region observerede de over hundrede signal T_cc ⁺ tetrakvarker, der danner en påfaldende smal top meget tæt på summen af ​​D ^*+ og D ⁰ mesonmasser med en overvældende statistisk signifikans.

"Den statistiske signifikans, vi observerede, er så høj, at den fuldstændig udelukker, at det observerede signal er en statistisk udsving," forklarede Belyaev. "Siden D ^*+ meson består af en charme-kvark og en anti-d-kvark og D ⁰ meson består af charme-kvark og anti-u-quark, den fikserer det minimale kvarkindhold af den observerede som to charme-kvarker, anti-d-quar og anti-u-quark."

LHCb-samarbejdet udførte derefter adskillige tests for at validere deres resultater. Alle disse tests bekræftede, at det signal, de observerede, var forbundet med en T_cc ⁺ tetraquark. Til sidst målte de massen af ​​T_cc ⁺ tetraquark og bredden af ​​dens top.

"Ifølge kvantemekanikkens love er toppens bredde relateret til partiklens omvendte levetid, og vi fandt ud af, at bredden svarer til en meget lang levetid, en af ​​de største for de partikler, der henfalder på grund af stærke vekselvirkninger og den længste for alle eksotiske hadroner fundet hidtil," sagde Belyaev. "På en eller anden måde T_cc ⁺ er Methusalem af de eksotiske hadroner."

Forskerne har for nylig gennemført en opfølgende undersøgelse, omtalt i Nature Communications , yderligere udforskning af egenskaberne for T_cc ⁺ partikel. I dette papir viste de, at henfaldsmønsteret stemmer overens med T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁰ π ⁺ )D ⁰ . De kontrollerede også fordelingen af ​​massen af ​​D ⁰ D ⁰ og D ⁺ D ⁰ par og fandt ud af, at forbedringerne i disse spektre er meget i overensstemmelse med henfaldene T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁰ π ⁺ )D ⁰ med manglende π ⁺ meson og T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁺ π ⁰ /γ)D ⁰ med manglende π ⁰ /γ.

"Vi har endnu ikke målt kvantetallene for T_cc ⁺ partikler direkte, men vi tilbød stærke argumenter til støtte for det samlede spin J og pariteten P af den observerede partikel, som er de vigtigste kvantetal, er J ^P =1 ⁺ , i perfekt overensstemmelse med forventningerne," sagde Belyaev. "For at undersøge et andet vigtigt kvantetal, isospin, har vi studeret massespektre for D ⁰ D ⁰ , D ⁺ D ⁰ , D ⁺ D ⁺ , D ⁺ D ^*+ par, søger efter mulige bidrag fra de hypotetiske isospin-partnere. De fandt ingen tegn, der tyder på, at isospin af den nyligt observerede T_cc ⁺ tilstand er 0, i overensstemmelse med forudsigelserne."

T_cc ⁺ tetraquark observeret af LHCb-samarbejdet kunne have mindst to forskellige interne strukturer. For eksempel kunne det have en "molekylær-lignende struktur", hvor to charme-kvarker er adskilt af en stor afstand, der kan sammenlignes med størrelsen af ​​atomkernen, en "kompakt struktur", hvor afstanden mellem de to charme-kvarker er betydeligt mindre, eller en kombination af de to.

I deres seneste opfølgningspapir brugte holdet en sofistikeret model til at bestemme, hvad denne struktur kunne være og målte de grundlæggende egenskaber af T_cc ⁺ tilstand, herunder spredningslængden, effektive rækkevidde og polposition, som er vigtige, når man forsøger at bestemme en partikels indre struktur. Værdierne målt af forskerne er kompatible med en molekylær-lignende struktur, men dette er endnu ikke bekræftet.

LHCb-samarbejdets observation af T_cc ⁺ tetraquark er et væsentligt bidrag til højenergi- og partikelfysik. Faktisk har det allerede udløst vigtige teoretiske diskussioner om arten af ​​T_cc ⁺ , relaterede molekylærlignende tilstande, såsom den gådefulde X(3872), og det generelle problem med eksistensen af ​​de "kompakte tetraquarks."

I sine fremtidige undersøgelser planlægger samarbejdet at forsøge direkte at bestemme kvantetallene for den nye stat, da de indtil videre kun har opnået stærke, men indirekte beviser for dem.

"Det er meget vigtigt at forstå produktionsmekanismen for T_cc ⁺ tilstand i proton-proton kollision," tilføjede Belyaev. "I øjeblikket har vi nogle kontraintuitive observationer - nogle fordelinger, såsom tværgående momentum og spormultiplicitet, er virkelig forvirrende, og der er brug for flere data til opløsning. Det bliver meget interessant at sammenligne produktionen af ​​T_cc ⁺ og Ξ_cc ⁺⁺ partikler – her forventes en vis grad af lighed, men også at sammenligne egenskaberne, herunder produktionsegenskaberne, af T_cc ⁺⁺ partikel og en gådefuld X(3872) partikel." + Udforsk yderligere

LHCb opdager tre nye eksotiske partikler:pentaquark og det første par tetraquarks nogensinde

© 2022 Science X Network