De sterke wisselwerking is een van de fundamentele krachten van de natuur, die quarks bindt tot hadronen zoals het proton en het neutron, de bouwstenen van atomen. Volgens het quarkmodel hadronen kunnen worden gevormd door twee of drie quarks, respectievelijk mesonen en baryonen genoemd, en gezamenlijk aangeduid als conventionele hadronen. Het quarkmodel laat ook het bestaan ​​toe van zogenaamde exotische hadronen, samengesteld door vier (tetraquarks), vijf (pentaquarks) of meer quarks. Een rijk spectrum aan exotische hadronen wordt verwacht, net als voor de conventionele. Echter, tot 2003 geen eenduidig ​​signaal van exotische hadronen werd waargenomen, toen de staat X (3872) werd ontdekt door het Belle-experiment. In de komende jaren, een paar meer exotische staten werden ontdekt. De verklaring van hun eigenschappen vereist het bestaan ​​van vier samenstellende quarks. Identificatie van pentaquark-toestanden is nog moeilijker, en de eerste kandidaten werden waargenomen door het LHCb-experiment in 2015. Al deze bekende toestanden bevatten hoogstens twee zware quarks:de beauty- of charm-quark.

Onlangs, door het bestuderen van de invariante massaverdeling van twee J/ψ mesonen geproduceerd in proton-protonbotsingen bij massamiddelpuntsenergieën tot 13 TeV, de LHCb-samenwerking observeerde twee structuren. De smallere structuur wordt beschreven als een hadrontoestand met een massa van ongeveer 6900 MeV/c ² , aangeduid als X (6900). Aangezien het J/ψ-meson een charm (c) en een anticharm-quark (bar{c}) bevat, de nieuwe toestand suggereert een minimale quark-inhoud van ccbar{c}bar{c}, waardoor het een kandidaat is voor tetraquark-staten met vier charmes. De andere structuur, breed zijn en bijna tweemaal de J / rustmassa, kan te wijten zijn aan een andere tetraquark van grotere breedte of een combinatie van verschillende overlappende tetraquark-toestanden.

"Het is heel opwindend om het eerste experimentele bewijs te zien van een tetraquark met vier charmes. De unieke samenstelling van de nieuwe staat maakt het een ideaal laboratorium om inzicht te krijgen in de sterke interactie binnen hadronen, " zegt de LHCb-fysicus die werkt aan de INFN-sectie van Florence, Liupan An.

Hoewel kwantumchromodynamica (QCD) de algemeen gebruikte theorie is om de sterke interactie te beschrijven, begrip van de interne structuur van een hadron is nog niet mogelijk uit eerste-principe berekeningen. Modellen die QCD benaderen worden geïntroduceerd om het bindingsmechanisme van quarks in hadronen te verklaren. In het moleculaire beeld, een exotische staat wordt gevormd door twee zwak gebonden conventionele hadronen zoals deuteron. De moleculaire structuur is momenteel de favoriete interpretatie van de smalle pentaquarks waargenomen door LHCb en de X (3872) toestand.

Echter, hadronische toestanden die uitsluitend van zware quarks zijn gemaakt, zijn naar verwachting strak begrensd; bijvoorbeeld, een vier-charm tetraquark wordt meestal beschouwd te worden gevormd door een cc-diquark en een abar{c}bar{c}-antidiquark die elkaar aantrekken. Het cc-diquark-model voorspelde met succes de massa van de Ξcc++ baryon waargenomen door LHCb in 2017. Herverstrooiing van bekende hadronen door de sterke interactie is ook mogelijk om structuren te creëren die eruitzien als een hadrontoestand. De aard van de nieuw waargenomen toestanden met vier charmes moet nog worden bepaald, hoewel een compacte tetraquark-interpretatie de voorkeur heeft.

"De LHCb-waarneming opent een nieuw venster voor studies van multiquark-hadronspectroscopie. Meer studies van zowel experimentele als theoretische natuurkundigen zullen de mogelijkheid bieden om de aard van de vier-charm-toestand te begrijpen, " zegt Yanxi Zhang, werken aan het LHCb-experiment aan de Universiteit van Peking.

"Als de interpretatie van de vier zware quarks correct is, een volledig spectrum van deze nauw verbonden toestanden zal naar verwachting worden ontdekt uit de gegevens die LHCb in de nabije toekomst zal kunnen verzamelen. Metingen van de massa's en breedtes van deze staten, die kan worden voorspeld in QCD met relatief hoge precisie, zal een indringende test bieden van ons begrip van de fundamentele interacties tussen hadronen, " voegt Giacomo Graziani van INFN Florence toe.

LHCb is een van de vier grote experimenten bij de krachtigste deeltjesversneller ter wereld, de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN. Het LHCb-experiment is gewijd aan precisiemetingen van deeltjes die charm- of beauty-quarks bevatten, gericht op het verkennen van de materie-antimaterie asymmetrie puzzel, op zoek naar indirect bewijs van nieuwe fysica, en het onderzoeken van de sterke interactie. De samenwerking bestaat uit meer dan 1400 natuurkundigen en ingenieurs van over de hele wereld.

"Dit is een belangrijke stap voorwaarts in het verkennen van de interne structuur en dynamiek van hadronen." zei prof. Yuanning Gao, leider van de Chinese LHCb-groep, "Het LHCb-experiment heeft opnieuw zijn vermogen aangetoond in zware smaakspectroscopie, en zal blijven bijdragen aan het begrip van de sterke interactie."

De sterke wisselwerking blijft ons na tientallen jaren zoeken verrassen met nieuwe structuren en nieuwe fenomenen en zal dat in de toekomst zeker nog eens doen.