Vandaag, het LHCb-experiment op CERN presenteerde een meting van de massa's van twee specifieke deeltjes met een precisie die ongekend is bij een hadronversneller voor dit type deeltjes. Tot nu, de precieze studie van deze "harmonium" deeltjes, onschatbare bron van inzichten in de subatomaire wereld, vereiste speciale experimenten om te bouwen.

“Dankzij dit resultaat de LHCb-samenwerking opent een nieuwe weg naar precisiemetingen van charmoniumdeeltjes bij hadronversnellers, dat was onverwacht door de natuurkunde gemeenschap", zegt Giovanni Passaleva, Woordvoerder van de LHCb-samenwerking. Inderdaad, dit soort metingen leek tot voor kort onmogelijk.

De twee deeltjes, χc1 en χc2, zijn aangeslagen toestanden van een beter bekend deeltje genaamd J/ψ. Een aangeslagen toestand is een deeltje met een hogere interne energie, namelijk een massa, dan de absolute minimumconfiguratie die is toegestaan. De J / meson en zijn aangeslagen toestanden, ook wel charmonium genoemd, worden gevormd door een charm-quark en zijn antimateriecorrespondent, een charme antiquark, samengebonden door de sterke kernkracht. De revolutionaire waarneming van J/ψ in november 1974 veroorzaakte destijds snelle veranderingen in de hoge-energiefysica, en verdiende zijn ontdekkers de Nobelprijs voor de natuurkunde. Net als gewone atomen, een meson kan worden waargenomen in aangeslagen toestanden waar de twee quarks in verschillende configuraties om elkaar heen bewegen, en vanwege Einsteins beroemde equivalentie van energie en massa, na een korte tijd kunnen ze verdwijnen en transformeren in andere deeltjes met een lagere massa. Het LHCb-experiment bestudeerd, Voor de eerste keer, de specifieke transformatie van χc1- en χc2-mesonen die vervallen in een J/ψ-deeltje en een paar muonen om enkele van hun eigenschappen zeer nauwkeurig te bepalen.

Eerdere studies van χc1 en χc2 bij deeltjesversnellers hebben gebruik gemaakt van een ander type verval van deze deeltjes, met een foton in de eindtoestand in plaats van een paar muonen. Echter, het meten van de energie van een foton is experimenteel zeer uitdagend in de barre omgeving van een hadron-botser. Dankzij de gespecialiseerde mogelijkheden van de LHCb-detector in het meten van trajecten en eigenschappen van geladen deeltjes zoals muonen, en het benutten van de grote dataset die is verzameld tijdens de eerste en tweede run van de LHC tot eind 2016, het was mogelijk om de twee geëxciteerde deeltjes te observeren met een uitstekende massaresolutie. Gebruikmakend van dit nieuwe verval met twee muonen in de eindtoestand, de nieuwe metingen van χc1- en χc2-massa's en natuurlijke breedtes hebben een vergelijkbare precisie en komen goed overeen met die verkregen bij eerdere specifieke experimenten die werden gebouwd met een specifieke experimentele benadering die heel anders is dan die in gebruik bij botsers.

"Niet alleen zijn we niet langer verplicht om onze toevlucht te nemen tot speciaal gebouwde experimenten voor dergelijke studies, " vervolgt Passaleva, "maar ook, in de nabije toekomst, we zullen kunnen nadenken over het toepassen van een vergelijkbare benadering voor de studie van een vergelijkbare klasse van deeltjes, bekend als bottomonium, waar charm-quarks worden vervangen door beauty-quarks." Deze nieuwe metingen, samen met toekomstige updates met grotere datasets van botsingen verzameld bij de LHC, zal nieuwe toestaan, strenge tests van de voorspellingen van kwantumchromodynamica (QCD), dat is de theorie die het gedrag van de sterke kernkracht beschrijft, bijdragen aan de uitdaging om de ongrijpbare kenmerken van deze fundamentele interactie van de natuur volledig te begrijpen.