In de loop van de 20e eeuw hebben natuurkundigen talloze elementaire deeltjes ontdekt. De grootste familie van deze deeltjes zijn de zogenaamde hadronen, subatomaire deeltjes die deelnemen aan sterke interacties.

Deze brede familie van deeltjes bevat talrijke subsets van deeltjes met vergelijkbare eigenschappen. In 1964 introduceerden M. Gell-Mann en G. Zweig een bekende theorie die bekend staat als het 'Quark-model', dat de interne structuur van hadronen duidelijk schetste.

Het Quark-model suggereert dat hadronen uit ofwel drie quarks (baryonen) of quark-antiquark-paren (mesonen) bestaan. Hoewel veel onbedekte hadronen in een van deze twee categorieën vallen, veronderstelt het model ook het bestaan ​​van hadronen met complexere structuren, zoals pentaquarks (d.w.z. vier quarks en een antiquark) en tetraquarks (d.w.z. twee quark-antiquark-paren).

Veel studies in de jaren zeventig theoretiseerden over de mogelijke mechanismen die ten grondslag liggen aan de vorming van deze complexe hadronstructuren. Alle tot 2003 ontdekte hadronen hadden structuren die overeenkwamen met een van de twee hoofdtypen beschreven door het Quark-model, maar sommige van de deeltjes die na die datum zijn waargenomen, zijn moeilijk uit te leggen met behulp van het model.

Het LHCb-experiment is een detector bij de CERN Large Hadron Collider die voornamelijk is gericht op het onthullen van verschillen tussen materie en antimaterie door een specifiek type deeltje te bestuderen, bekend als de 'schoonheidsquark'. De LHCb-samenwerking, de grote groep onderzoekers die bij het experiment betrokken is, heeft onlangs een exotische tetraquark waargenomen met een ongebruikelijke structuur, die twee charm-quarks bevat.

"De ontdekking van de zware charm-quark in 1974 (waarneming van J/ψ-mesonen in 1974, vaak aangeduid als 'novemberrevolutie') en nog zwaardere beauty-quark in 1977, leidde tot de erkenning dat tetraquarks bestaande uit twee zware quarks en twee lichte antiquarks kunnen interessante en ongebruikelijke eigenschappen hebben", vertelde Vanya Belyaev, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "Echter, experimentele faciliteiten die geschikt zijn voor het zoeken en bestuderen van dergelijke 'dubbelzware' objecten verschenen pas in de 21e eeuw, met de start van de Large Hadron Collider bij CERN."

Bij de LHC-collider kunnen natuurkundigen botsingen tussen protonen bestuderen bij zeer hoge energieën, die de productie van talrijke zware en dubbelzware deeltjes bevorderen. In 2011 en 2012 analyseerde de LHCb-samenwerking een klein deel van de gegevens die bij de LHC waren verzameld en ontdekte dat de waarschijnlijkheid van de gelijktijdige productie van twee charm-anticharm-quarkparen bij deze hoge energieën verre van laag was, wat suggereert dat de botser mogelijk de observatie van dubbele zware objecten.

"Met meer gegevens meldde de LHCb-samenwerking in 2017 een observatie van de baryon met dubbele charme Ξ_cc ⁺⁺ bestaande uit de twee charm-quarks en de lichte u-quark," legde Belyaev uit. "Met deze observatie werd het duidelijk dat als er dubbele charm-tetraquarks bestaan, hun observatie slechts een kwestie van tijd zou zijn."

Na de waarneming door de LHCb van de baryon met dubbele charme Ξ_cc ⁺⁺ , M.Karliner en J.Rosner waren in staat om de gemeten eigenschappen ervan te gebruiken om de eigenschappen die een hypothetische tetraquark zou hebben nauwkeurig te voorspellen. Zo'n tetraquark zou bestaan ​​uit twee charm-quarks, een u-antiquark en een d-antiquark. Het theoretische deeltje kreeg de naam T_cc ⁺ .

"De voorspelde eigenschappen van de T_cc ⁺ tetraquark impliceert dat het deeltje zichzelf zal vertonen als een smalle piek in de massaverdeling voor het paar gecharmeerde mesonen D ^*+ en D ⁰ , waarbij D ^*+ en D ⁰ zijn conventionele gecharmeerde mesonen bestaande uit (charm-quark en anti-d-quark) en (charm-quark en anti-u-quark),' zei Belyaev. "Het is interessant om op te merken dat de voorspelde massa van de T_cc ⁺ tetraquark ligt heel dicht bij de som van de massa's van de D ^*+ en D ⁰ mesonen, wat ook betekent dat als de massa slechts 1% lager is dan de voorspelde waarde, de eigenschappen van de T_cc ⁺ zal heel anders zijn en zal niet zichtbaar zijn in de D ^*+ en D ⁰ massa spectrum. Als de massa slechts 5% hoger is, zal de piek breed (of zelfs heel breed) zijn en zal het heel moeilijk, bijna onmogelijk zijn om experimenteel waar te nemen."

In wezen gaf het werk van M. Karliner en J. Rosner de exacte omstandigheden aan die geschikt zouden zijn om de hypothetische T_cc waar te nemen. ⁺ tetraquark. Hun voorspellingen waren uiteindelijk de leidraad voor het recente werk van de LHCb-samenwerking.

In hun studie bestudeerde de samenwerking zorgvuldig het massaspectrum van de D ^*+ en D ⁰ mesonparen, gebruikmakend van een dataset die alle gegevens bevat die zijn verzameld bij de LHC-versneller van 2011 tot 2018. In hun eerdere analyse, uitgevoerd in 2012, gebruikten de onderzoekers slechts 4% van de gegevens die vandaag beschikbaar zijn om de regio van de relatief grote massa's van D ^*+ en D ⁰ paren.

In hun nieuwe analyse richtten ze zich specifiek op het gebied van massa's dat dichter bij de som van de D ^*+ ligt. en D ⁰ meson massa's. In deze regio hebben ze meer dan honderd signalen T_cc . waargenomen ⁺ tetraquarks die een opvallend smalle piek vormen die heel dicht bij de som van de D ^*+ ligt en D ⁰ mesonmassa's met een overweldigende statistische significantie.

"De statistische significantie die we hebben waargenomen, is zo hoog dat het volledig uitsluit dat het waargenomen signaal een statistische fluctuatie is", legt Belyaev uit. "Sinds de D ^*+ meson bestaat uit een charm-quark en anti-d-quark, en D ⁰ meson bestaat uit charm-quark en anti-u-quark, het legt de minimale quark-inhoud vast van de waargenomen als twee charm-quarks, anti-d-quar en anti-u-quark."

De LHCb-samenwerking voerde vervolgens tal van tests uit om hun resultaten te valideren. Al deze tests bevestigden dat het waargenomen signaal geassocieerd was met een T_cc ⁺ tetraquark. Ten slotte maten ze de massa van de T_cc ⁺ tetraquark en de breedte van zijn piek.

"Volgens de wetten van de kwantummechanica is de breedte van de piek gerelateerd aan de inverse levensduur van het deeltje, en we ontdekten dat de breedte overeenkomt met een zeer lange levensduur, een van de grootste voor de deeltjes die vervalt als gevolg van sterke interacties en de langste voor alle exotische hadronen die tot nu toe zijn gevonden," zei Belyaev. "In zekere zin, T_cc ⁺ is Methusalem van de exotische hadronen."

De onderzoekers hebben onlangs een vervolgonderzoek uitgevoerd, te zien in Nature Communications , om de eigenschappen van de T_cc . verder te onderzoeken ⁺ deeltje. In dit artikel lieten ze zien dat het vervalpatroon consistent is met T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁰ π ⁺ )D ⁰ . Ze controleerden ook de verdeling van de massa van D ⁰ D ⁰ en D ⁺ D ⁰ paren en ontdekte dat de verbeteringen in deze spectra zeer goed consistent zijn met de verval T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁰ π ⁺ )D ⁰ met ontbrekende π ⁺ meson en T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁺ π ⁰ /γ)D ⁰ met ontbrekende π ⁰ /γ.

"We hebben de kwantumgetallen van de T_cc . nog niet gemeten ⁺ deeltjes rechtstreeks, maar we boden sterke argumenten ter ondersteuning van de totale spin J en pariteit P van het waargenomen deeltje, de belangrijkste kwantumgetallen, zijn J ^P =1 ⁺ , in perfecte overeenstemming met de verwachtingen," zei Belyaev. "Om een ​​ander belangrijk kwantumgetal, isospin, te onderzoeken, hebben we massaspectra bestudeerd voor de D ⁰ D ⁰ , D ⁺ D ⁰ , D ⁺ D ⁺ , D ⁺ D ^*+ paren, op zoek naar mogelijke bijdragen van de hypothetische isospin-partners. Ze vonden geen tekenen die erop wezen dat de isospin van de nieuw waargenomen T_cc ⁺ staat is 0, in overeenstemming met de voorspellingen."

De T_cc ⁺ tetraquark waargenomen door de LHCb-samenwerking zou ten minste twee verschillende interne structuren kunnen hebben. Het zou bijvoorbeeld een "moleculaire structuur" kunnen hebben, waarbij twee charm-quarks over een grote afstand van elkaar zijn gescheiden, vergelijkbaar met de grootte van de atoomkern, een "compacte structuur", waarbij de afstand tussen de twee charm-quarks aanzienlijk is. kleiner of een combinatie van beide.

In hun recente vervolgpaper gebruikte het team een ​​geavanceerd model om te bepalen wat deze structuur zou kunnen zijn en mat het de fundamentele eigenschappen van de T_cc ⁺ toestand, inclusief de verstrooiingslengte, het effectieve bereik en de poolpositie, die belangrijk zijn bij het bepalen van de interne structuur van een deeltje. De door de onderzoekers gemeten waarden zijn compatibel met een moleculair-achtige structuur, maar dit moet nog worden bevestigd.

De waarneming van de LHCb-samenwerking van de T_cc ⁺ tetraquark is een belangrijke bijdrage op het gebied van hoge energie- en deeltjesfysica. Het heeft zelfs al geleid tot belangrijke theoretische discussies over de aard van T_cc ⁺ , verwante moleculair-achtige toestanden, zoals de raadselachtige X(3872), en het algemene probleem met het bestaan ​​van de 'compacte tetraquarks'.

In zijn toekomstige studies is de samenwerking van plan om te proberen de kwantumgetallen van de nieuwe staat direct te bepalen, aangezien ze tot nu toe alleen sterk, maar indirect bewijs ervan hebben verkregen.

"Het is erg belangrijk om het productiemechanisme van de T_cc . te begrijpen ⁺ "Momenteel hebben we een aantal contra-intuïtieve waarnemingen - sommige distributies, zoals transversaal momentum en spoormultipliciteit, zijn echt raadselachtig en er zijn meer gegevens nodig voor resolutie. Het zal heel interessant zijn om de productie van de T_cc . te vergelijken ⁺ en Ξ_cc ⁺⁺ deeltjes - hier wordt een zekere mate van overeenkomst verwacht, maar ook om de eigenschappen, inclusief productie-eigenschappen, van de T_cc te vergelijken ⁺⁺ deeltje en een enigmatisch X(3872) deeltje." + Verken verder

LHCb ontdekt drie nieuwe exotische deeltjes:de pentaquark en het allereerste paar tetraquarks

© 2022 Science X Network