En ny familie af smukt charmerende tetrakvarker:Studiet belyser en ny horisont inden for kvantekromodynamik

Forskere ved The Institute of Mathematical Science (IMSc) og Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) har udforsket det komplekse domæne af subatomære partikler, og har for nylig offentliggjort et nyt fund i tidsskriftet Physical Review Letters . Deres undersøgelse belyser en ny horisont inden for kvantekromodynamik (QCD), kaster lys over eksotiske subatomære partikler og skubber grænserne for vores forståelse af den stærke kraft.

Kernen i denne udforskning ligger den gådefulde fundamentale stærke kraft, som genererer næsten al masse af alt synligt stof i universet. En håndfuld fundamentale partikler, kendt som kvarker, engagerer sig i spændende interaktioner ved at udveksle gluoner, skaber alle sammensatte subatomære partikler, der til sidst danner alt det synlige stof i vores univers.

Centralt i denne forståelse er QCD-teorien, som styrer dynamikken i stærke interaktioner. QCD tillader dannelsen af ​​farveneutrale kombinationer af kvarker til subatomære partikler, generisk omtalt som hadroner. Traditionelt er hadroner blevet klassificeret i to hovedkategorier:mesoner, såsom pioner, bestående af en kvark og en anti-kvark, og baryoner, ligesom protoner, sammensat af tre kvarker.

Ud over disse kategorier ligger dog eksotiske hadroner, inklusive dem med fire, fem eller seks kvarker, og endda partikler med gluoner, såsom limkugler. Indtil relativt for nylig forblev eksistensen af ​​disse eksotiske hadroner stort set ukendt territorium for partikelfysikere.

I løbet af det sidste halvandet årti har en byge af eksperimentelle opdagelser belyst dette tidligere obskure domæne, og afsløret rige spektre af eksotiske hadroner, der trodser konventionelle forestillinger om den stærke kraft og udfordrer vores forståelse af subatomære partikler.

Blandt disse eksotiske hadroner er tetraquarks, som er sammensat af fire kvarker (mere præcist, to kvarker og to anti-kvarker). De kunne eksistere i meget kompakte former eller som løst bundne molekyler af to mesoner eller noget andet:deres præcise strukturer forbliver et mysterium. De anses også for at være de mest almindelige eksotiske, og det forventes, at mange flere vil blive opdaget i fremtiden.

Teoretiske undersøgelser kan hjælpe med disse opdagelser ved at forudsige deres kvarkindhold og mulige energiområder. I dette nylige arbejde har Prof. Nilmani Mathur og en postdoc-stipendiat, Dr. Archana Radhakrishnan, fra Institut for Teoretisk Fysik, TIFR, og Dr. M. Padmanath fra IMSc forudsagt eksistensen af ​​en ny tetraquark. Denne nye subatomare partikel er sammensat af en skønheds- og en charme-kvark sammen med to lette anti-kvarker, og den tilhører en familie af tetraquarks, kaldet T_bc :de smukt charmerende tetraquarks.

Forskerne har brugt beregningsfaciliteten fra Indian Lattice Gauge Theory Initiative (ILGTI) til at udføre denne beregning. Dannelsen af ​​denne særlige tetraquark blev undersøgt ved hjælp af vekselvirkningerne mellem en bund- og en charme-meson. Ved at bruge variationsteknikker på tværs af varierede gitterafstande og valenslette kvarkmasser undersøgte denne undersøgelse energiegenværdier af de interagerende mesonsystemer inden for endelige volumener og konkluderede eksistensen af ​​denne tetraquark.

I lighed med den forudsagte partikel kan der være andre tetraquarks med samme kvarkindhold, men med forskellig spin og paritet. Denne forudsigelse kommer på et tilfældigt tidspunkt, der falder sammen med den nylige opdagelse af en tetraquark (T_cc ) indeholdende to charme-kvarker og to lette anti-kvarker.

Som følge heraf er der en klar mulighed for, at den nyligt forudsagte partikel eller en beslægtet variant meget vel kunne opdages ved hjælp af lignende eksperimentelle metoder, givet at energiområdet og lysstyrken, der kræves til deres produktion og detektion, bliver mere og mere tilgængelig.

Ydermere overstiger bindingsenergien af ​​den forudsagte partikel energien for alle opdagede tetraquarks, og bindingen svækkes, efterhånden som massen af ​​den lette kvark øges, hvilket hentyder til indviklet dynamik af stærke vekselvirkninger på tværs af forskellige kvarkmasseregimer samt belysning af de spændende træk ved stærk kraft i hadrondannelse, især dem med tunge kvarker.

Dette giver også yderligere motivation til at søge efter tungere eksotiske subatomære partikler i næste generations eksperimenter, som kunne bruges til at tyde den stærke kraft og frigøre dens fulde potentiale.