Het Large Hadron Collider Beauty (LHCb)-project heeft voor het eerst een exotisch deeltje waargenomen dat bestaat uit vier charm-quarks.

De LHCb-samenwerking heeft een type vier-quarkdeeltje waargenomen dat nog nooit eerder is gezien. De vondst, gepresenteerd tijdens een recent seminar op CERN en beschreven in een paper dat vandaag is gepubliceerd, is waarschijnlijk de eerste van een voorheen onontdekte klasse van deeltjes die nog nooit eerder door natuurkundigen zijn gezien.

De bevinding zal natuurkundigen helpen quarks beter te begrijpen, een soort elementair deeltje dat een fundamentele bouwsteen is van alle materie. Quarks vormen samen om composietdeeltjes te vormen die bekend staan ​​​​als hadronen, waaronder protonen en neutronen. Deze baanbrekende nieuwe ontdekking kan wetenschappers nu helpen de complexe manieren te begrijpen waarop quarks zich aan elkaar binden om deze composiet te vormen.

Quarks combineren meestal samen in groepen van tweeën en drieën om hadronen te vormen. Al decenia, echter, theoretici hebben het bestaan ​​van vier-quark en vijf-quark hadronen voorspeld, die soms worden beschreven als tetraquarks en pentaquarks, en de afgelopen jaren hebben experimenten, waaronder de LHCb, het bestaan ​​van verschillende van deze exotische hadronen bevestigd.

Deze deeltjes gemaakt van ongebruikelijke combinaties van quarks zijn een ideaal "laboratorium" voor het bestuderen van een van de vier bekende fundamentele natuurkrachten, de sterke interactie die protonen bindt, neutronen en de atoomkernen waaruit materie bestaat. Gedetailleerde kennis van de sterke interactie is ook essentieel om te bepalen of nieuwe, onverwachte processen zijn een teken van nieuwe fysica of gewoon standaard fysica.

"Deeltjes die uit vier quarks bestaan, zijn al exotisch, en degene die we zojuist hebben ontdekt, is de eerste die bestaat uit vier zware quarks van hetzelfde type, specifiek twee charm-quarks en twee charm-antiquarks, ", zegt de vertrekkende woordvoerder van het LHCb-samenwerkingsverband, Giovanni Passaleva. "Tot nu toe, de LHCb en andere experimenten hadden alleen tetraquarks waargenomen met hoogstens twee zware quarks en geen enkele met meer dan twee quarks van hetzelfde type."

Aankomend LHCb-woordvoerder, Chris Parkes van de Universiteit van Manchester zei:"Het is een groot genoegen en een eer om het woord te nemen als LHCb-woordvoerder. De samenwerking omvat meer dan 1400 leden uit 19 verschillende landen, een gemeenschap die samenwerkt om onze wetenschappelijke doelen te bereiken. De University of Manchester en de andere tien instellingen in de UK spelen een leidende rol in de samenwerking.

"De ontdekking van vandaag opent een nieuw spannend hoofdstuk in dit wetenschappelijke boek, waardoor we onze theorie van materiedeeltjes in een extreem geval kunnen bestuderen. Dit deeltje is een extreem geval:het is een exotisch hadron, met vier quarks in plaats van de twee of drie in conventionele materiedeeltjes, en de eerste die zware quarks bevatte.

"Door een extreem systeem te bestuderen, kunnen wetenschappers onze theorieën stresstesten. Door de studie van dit deeltje, en de hoop dat we in de toekomst nog meer deeltjes in deze klasse zullen ontdekken, we zullen onze theorie testen over hoe quarks combineren, die ook protonen en neutronen regelt."

Het LHCb-team vond de nieuwe tetraquark met behulp van de deeltjesjachttechniek om te zoeken naar een overdaad aan botsingsgebeurtenissen, bekend als een "bult", over een vloeiende achtergrond van gebeurtenissen. Door de volledige LHCb-datasets van de eerste en tweede runs van de Large Hadron Collider te bladeren, die respectievelijk plaatsvonden van 2009 tot 2013 en van 2015 tot 2018, ontdekten de onderzoekers een hobbel in de massaverdeling van deeltjes, die bestaan ​​uit een charm-quark en een charm-antiquark.

De bult heeft een statistische significantie van meer dan vijf standaarddeviaties, de gebruikelijke drempel voor het claimen van de ontdekking van een nieuw deeltje, en het komt overeen met een massa waarbij voorspeld wordt dat deeltjes bestaan ​​uit vier charm-quarks.

Net als bij eerdere tetraquark-ontdekkingen, het is niet helemaal duidelijk of het nieuwe deeltje een "echte tetraquark" is, dat is, een systeem van vier quarks stevig aan elkaar gebonden, of een paar twee-quarkdeeltjes die zwak gebonden zijn in een molecuulachtige structuur. Hoe dan ook, de nieuwe tetraquark zal theoretici helpen bij het testen van modellen van kwantumchromodynamica, de theorie van de sterke interactie.

De krant, Waarneming van structuur in het J/ψ-paar massaspectrum, wordt gepubliceerd op de arXiv preprint-server.