Het LHCb-experiment bij CERN heeft een voorliefde ontwikkeld voor het vinden van exotische combinaties van quarks, de elementaire deeltjes die samenkomen om ons samengestelde deeltjes te geven, zoals het bekendere proton en neutron. Vooral, LHCb heeft verschillende tetraquarks waargenomen, die, Zoals de naam al doet vermoeden, zijn gemaakt van vier quarks (of liever twee quarks en twee antiquarks). Door deze ongewone deeltjes te observeren, kunnen wetenschappers onze kennis van de sterke kracht vergroten, een van de vier bekende fundamentele krachten in het universum. Tijdens een virtueel CERN-seminar op 12 augustus, LHCb kondigde de eerste tekenen aan van een geheel nieuw soort tetraquark met een massa van 2,9 GeV/c²:het eerste dergelijke deeltje met slechts één charm-quark.

Voor het eerst voorspeld te bestaan ​​in 1964, wetenschappers hebben zes soorten quarks (en hun antiquark-tegenhangers) in het laboratorium waargenomen:omhoog, omlaag, charme, vreemd, top en bodem. Omdat quarks niet vrij kunnen bestaan, ze groeperen om samengestelde deeltjes te vormen:drie quarks of drie antiquarks vormen "baryonen" zoals het proton, terwijl een quark en een antiquark 'mesonen' vormen.

De LHCb-detector bij de Large Hadron Collider (LHC) is gewijd aan de studie van B-mesonen, die ofwel een bodem ofwel een antibodem bevatten. Kort na te zijn geproduceerd in proton-protonbotsingen bij de LHC, deze zware mesonen transformeren - of "vervallen" - in een verscheidenheid aan lichtere deeltjes, die zelf verdere transformaties kunnen ondergaan. LHCb-wetenschappers observeerden tekenen van de nieuwe tetraquark in zo'n verval, waarin het positief geladen B-meson verandert in een positief D-meson, een negatief D-meson en een positief kaon:B ⁺ →D ⁺ NS ^- K ⁺ . In totaal, ze bestudeerden ongeveer 1300 kandidaten voor deze specifieke transformatie in alle gegevens die de LHCb-detector tot nu toe heeft geregistreerd.

Het beproefde quarkmodel voorspelt dat sommige van de D ⁺ NS ^- paren in deze transformatie kunnen het resultaat zijn van intermediaire deeltjes - zoals het ψ(3770) meson - die zich slechts tijdelijk manifesteren:B ⁺ →ψ(3770)K ⁺ →D ⁺ NS ^- K ⁺ . Echter, theorie voorspelt geen meson-achtige tussenpersonen resulterend in een D ^- K ⁺ paar. LHCb was daarom verrast om een ​​duidelijke band in hun gegevens te zien die overeenkomt met een tussentoestand die transformeert in een D ^- K ⁺ paar met een massa van ongeveer 2,9 GeV/c², of ongeveer drie keer de massa van een proton.

De gegevens zijn geïnterpreteerd als het eerste teken van een nieuwe exotische toestand van vier quarks:een anticharme, een op, een dons en een antivreemd (c̄uds̄). Alle eerdere tetraquark-achtige toestanden waargenomen door LHCb hadden altijd een charm-anticharm-paar, wat resulteert in een "charme flavour" van netto nul. De nieuw waargenomen toestand is de eerste keer dat een tetraquark met een enige charme is gezien, die een "open-charm" tetraquark is genoemd.

"Toen we voor het eerst de excessen in onze gegevens zagen, we dachten dat er een fout was, " zegt Dan Johnson, die de LHCb-analyse leidde. "Na jarenlang de gegevens te hebben geanalyseerd, we accepteerden dat er echt iets verrassends is!"

Waarom is dit belangrijk? Het gebeurt zo dat de jury nog steeds niet weet wat een tetraquark werkelijk is. Sommige theoretische modellen geven de voorkeur aan het idee dat tetraquarks paren zijn van verschillende mesonen die tijdelijk aan elkaar zijn gebonden als een "molecuul, " terwijl andere modellen ze liever zien als een enkele samenhangende eenheid van vier deeltjes. Het identificeren van nieuwe soorten tetraquarks en het meten van hun eigenschappen, zoals hun kwantumspin (hun intrinsieke ruimtelijke oriëntatie) en hun pariteit (hoe ze verschijnen onder een spiegel- zoals transformatie) - zal helpen een duidelijker beeld te schetsen van deze exotische bewoners van het subatomaire domein. Johnson voegt eraan toe:"Deze ontdekking zal ons ook in staat stellen onze theorieën in een geheel nieuw domein te stresstesten."

Hoewel de observatie van LHCb een belangrijke eerste stap is, er zijn meer gegevens nodig om de aard van de structuur te verifiëren die is waargenomen in de B ⁺ verval. De LHCb-samenwerking zal ook anticiperen op onafhankelijke verificatie van hun ontdekking van andere specifieke B-fysica-experimenten zoals Belle II. In de tussentijd, de LHC blijft nieuwe en opwindende resultaten opleveren voor zowel experimentatoren als theoretici om in te graven.