Het voorspellen van de eigenschappen van subatomaire deeltjes vóór hun experimentele ontdekking was een grote uitdaging voor natuurkundigen. In een recent artikel gepubliceerd op 28 juli in Fysieke beoordelingsbrieven Nilmani Mathur van het Tata Instituut voor Fundamenteel Onderzoek, Bombay, en M. Padmanath, een oud-student van TIFR, hebben de kwantumgetallen van vijf voorspeld ⁰ _C baryonen die onlangs zijn ontdekt door een experiment bij de Large Hadron Collider (de LHCb-samenwerking) bij CERN. Deze resultaten zullen helpen bij het begrijpen van de aard van sterke interacties in het heelal.

Een baryon is een samengesteld subatomair deeltje gemaakt van drie valentie-quarks en wordt door sterke interacties door gluonen gebonden. Het meest bekende baryon is het proton dat samen met een elektron een waterstofatoom vormt. Een simplistische afbeelding van een proton is een combinatie van twee up-quarks en één down-quark. In de theorie van sterke interacties zijn er zes quarks met elk drie kleuren ladingen. Deze theorie staat elke combinatie van een quark en een anti-quark toe, evenals elke combinatie van drie quarks in een kleurneutrale toestand, wat resulteert in verschillende subatomaire deeltjes die mesonen en baryonen worden genoemd, respectievelijk. De ontdekking van vele mesonen en baryonen sinds het midden van de 20e eeuw, heeft een cruciale rol gespeeld bij het begrijpen van de aard van sterke interacties. Verwacht wordt dat veel andere mesonen en baryonen zullen worden ontdekt in lopende experimenten bij CERN en toekomstige experimenten met hoge energie.

Deze recent ontdekte baryonen heten Ω ⁰ _C gemaakt van twee vreemde quarks en één charm-quark. Dit zijn de aangeslagen toestanden van Ω ⁰ _C baryon, net als de aangeslagen toestanden van het waterstofatoom.

Quantum Chromodynamics (QCD), waarvan wordt aangenomen dat het de theorie is van sterke interacties, is een zeer niet-lineaire theorie en kan alleen analytisch worden opgelost bij zeer hoge energieën waar de sterkte van interacties vrij klein is. Tot op heden is er geen analytische oplossing van QCD om de eigenschappen van subatomaire deeltjes te verkrijgen, zoals het proton en Ω _C . Dit vereist de numerieke implementatie van QCD op ruimte-tijdroosters die bekend staat als rooster-QCD (LQCD). LQCD-methoden kunnen het spectrum van subatomaire deeltjes beschrijven en ook hun eigenschappen, zoals vervalconstanten. LQCD speelt ook een cruciale rol bij het begrijpen van materie onder hoge temperatuur en dichtheid, vergelijkbaar met de toestand in de vroege stadia van het universum.

In dit werk voorspelden Padmanath en Nilmani de kwantumgetallen van deze nieuw ontdekte Ω ⁰ _C baryonen die anders experimenteel onbekend waren. In feite, Het proefschrift van Padmanath voorspelde de massa's van deze deeltjes vier jaar voor hun ontdekking. Met behulp van state-of-the-art methoden van LQCD en computationele middelen van het Department of Theoretical Physics en het Indian Lattice Gauge Theory Initiative (ILGTI), ze voerden een nauwkeurige en systematische bepaling uit van energieën en kwantumgetallen voor de toren van aangeslagen toestanden van Ω ⁰ _C baryonen. Hun voorspelde resultaten worden vergeleken met experimentele bevindingen (zie tabel). Voorspelde kwantumaantallen van deze deeltjes zullen helpen om de eigenschappen van deze deeltjes te begrijpen, wat op zijn beurt zal helpen om de aard van sterke interacties te begrijpen.

Sinds 2001 hebben Nilmani en zijn medewerkers de massa's voorspeld van verschillende andere subatomaire deeltjes met verschillende quark-inhouden, waarvan sommige al zijn ontdekt (nadat ze waren voorspeld) en vele anderen vermoedelijk zullen worden ontdekt in toekomstige experimenten. Bijvoorbeeld, hun voorspelling van de massa van Ξ _cc baryon (een baryon gemaakt van twee charm-quarks en een lichte quark) al in 2001 en pas in 2014 werd bevestigd door de ontdekking van dit deeltje op 6 juli, 2017, door de LHCb-samenwerking.

Nilmani en Padmanath bestuderen momenteel samen met andere theoretische fysici van TIFR de eigenschappen van verschillende subatomaire deeltjes, vooral die gemaakt van zware quarks, met behulp van grootschalige computersimulaties. Ze maken gebruik van de rekenfaciliteiten van het hoogwaardige computercentrum van ILGTI in de Balloon Facility, Haiderabad, die een Cray-supercomputer host. De resultaten van hun werk zullen helpen om de aard van sterke interacties in het heelal te begrijpen.