LHCb:Korrelationer viser nuancer af partikelfødselsprocessen

I verden styret af kvantefænomener er der ingen skarpe grænser:kvantepartikler kan "lække" uden for den region, de tilsyneladende er begrænset til. Denne kvantetunneleffekt er allerede blevet observeret i mange eksperimenter, men endnu ikke for partikler lavet af mere end to kvarker. Sådanne partikler, kaldet tetraquarks, er ekstremt sjældne og kortlivede, så denne type observation er meget udfordrende.

LHCb-samarbejdet, et af de fire store eksperimenter, der opererer på CERNs Large Hadron Collider (LHC), har taget et vigtigt skridt i retning af at lukke dette hul. Ved at kombinere de data, der blev indsamlet under LHC's første og anden operationelle kørsel, observerede holdet kvante-korrelationer mellem par af charme og anti-charm-hadroner, der stammer fra en enkelt tetraquark-tilstand.

Partikler såsom tetraquarks er ikke elementære partikler, men sammensatte tilstande lavet af flere mere fundamentale bestanddele, kaldet kvarker og gluoner. Sidstnævnte holder kvarker sammen og formidler den stærke kraft mellem dem. Tetraquarks forudsiges af teorien om stærke vekselvirkninger, Quantum Chromodynamik (QCD), og der er blevet søgt grundigt efter i højenergipartikelfysiske eksperimenter.

Denne seneste LHCb-analyse afslører, hvordan disse exceptionelle tetraquark-tilstande dannes og henfalder. Kvantekorrelationer mellem par af charme og anti-charme hadroner giver information om, hvor disse partikler produceres inde i LHCb-detektoren og giver indsigt i tetraquarks produktionsdynamik.

Forskerholdet undersøgte alle mulige kombinationer af par af charme (c) og anti-charme (c‾) hadroner. De fleste af parrene, inklusive dem, der stammer fra den samme tetraquark-tilstand, udviser en præference for at blive produceret centralt i detektoren. Dette forventes for de fleste af de hadroniske produktionsmekanismer, der forekommer i højenergikollisioner. Imidlertid observeres kvantekorrelationer for par af charme- og anti-charme-hadroner, der stammer fra den samme tetraquark-tilstand. I dette tilfælde indikerer korrelationerne, at produktionspunktet er forskudt mod den side, hvor ladede partikler (protonens valenskvarker) af de indkommende protoner er placeret. Dette antyder en mulig produktionsmekanisme for tetraquarks, hvor gluonet, der udsendes fra den indkommende proton eller antiproton (benævnt "pomeron"), svinger ind i tetraquark-tilstanden, der efterfølgende henfalder til parret af hadroner.

Denne LHCb-analyse giver også indsigt i, hvordan tetraquark-tilstanden efterfølgende henfalder til parret af charme- og anti-charme-hadroner. Observationerne indikerer, at tetraquark-tilstanden omdannes til par af charme- og anti-charm-kvarker, som derefter omarrangeres for at danne de endelige hadroner.

Resultaterne af denne undersøgelse giver vigtig information om produktionen og henfaldet af den observerede tetraquark-tilstand og tilbyder komplementær indsigt til andre LHCb-målinger af sådanne partikler. De kvanteeffekter, der observeres for første gang i dette arbejde, kan også i fremtiden hjælpe med at skelne tetraquarks fra andre multi-kvark-tilstande.

LHCb-samarbejdet ser frem til at indsamle flere data på LHC i fremtiden, som vil give dem mulighed for yderligere at undersøge egenskaberne af tetraquarks og andre eksotiske partikler.