Onderzoekers van het The Institute of Mathematical Science (IMSc) en het Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) onderzoeken het complexe domein van subatomaire deeltjes en hebben onlangs een nieuwe bevinding gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters . Hun onderzoek belicht een nieuwe horizon binnen de kwantumchromodynamica (QCD), werpt licht op exotische subatomaire deeltjes en verlegt de grenzen van ons begrip van de sterke kracht.

De kern van deze verkenning ligt de raadselachtige fundamentele sterke kracht, die bijna alle massa van alle zichtbare materie in het universum genereert. Een handvol fundamentele deeltjes, bekend als quarks, die intrigerende interacties aangaan door gluonen uit te wisselen, creëren alle samengestelde subatomaire deeltjes die uiteindelijk alle zichtbare materie van ons universum vormen.

Centraal in dit begrip staat de QCD-theorie, die de dynamiek van sterke interacties regelt. QCD maakt de vorming mogelijk van kleurneutrale combinaties van quarks tot subatomaire deeltjes, algemeen aangeduid als hadronen. Traditioneel worden hadronen ingedeeld in twee hoofdcategorieën:mesonen, zoals pionen, bestaande uit één quark en één anti-quark, en baryonen, zoals protonen, bestaande uit drie quarks.

Buiten deze categorieën liggen echter ook exotische hadronen, waaronder die met vier, vijf of zes quarks, en zelfs deeltjes met gluonen, zoals lijmballen. Tot relatief kort geleden bleef het bestaan ​​van deze exotische hadronen grotendeels onbekend terrein voor deeltjesfysici.

De afgelopen vijftien jaar heeft een stroom van experimentele ontdekkingen dit voorheen obscure domein belicht, waarbij rijke spectra van exotische hadronen zijn onthuld die de conventionele opvattingen over de sterke kracht tarten en ons begrip van subatomaire deeltjes op de proef stellen.

Onder deze exotische hadronen bevinden zich tetraquarks, die zijn samengesteld uit vier quarks (meer precies, twee quarks en twee anti-quarks). Ze zouden kunnen bestaan ​​in zeer compacte vormen of als losjes gebonden moleculen van twee mesonen of iets anders:hun precieze structuren blijven een mysterie. Er wordt ook waargenomen dat ze de meest voorkomende exoten zijn en er wordt verwacht dat er in de toekomst nog veel meer ontdekt zullen worden.

Theoretische studies kunnen bij deze ontdekkingen helpen door de quarkinhoud en mogelijke energiebereiken te voorspellen. In dit recente werk hebben prof. Nilmani Mathur en een postdoctoraal onderzoeker, dr. Archana Radhakrishnan, van de afdeling Theoretische Fysica, TIFR, en dr. M. Padmanath van IMSc het bestaan ​​van een nieuwe tetraquark voorspeld. Dit nieuwe subatomaire deeltje is samengesteld uit een schoonheids- en een charme-quark, samen met twee lichte anti-quarks, en behoort tot een familie van tetraquarks, genaamd T_bc :de prachtig charmante tetraquarks.

De onderzoekers hebben gebruik gemaakt van de rekenfaciliteiten van het Indian Lattice Gauge Theory Initiative (ILGTI) om deze berekening uit te voeren. De vorming van dit specifieke tetraquark werd onderzocht met behulp van de interacties tussen een bodem- en een charme-meson. Door gebruik te maken van variatietechnieken over verschillende roosterafstanden en valentie-licht-quarkmassa's, onderzocht deze studie de energie-eigenwaarden van de op elkaar inwerkende mesonsystemen binnen eindige volumes en concludeerde het bestaan ​​van deze tetraquark.

Net als het voorspelde deeltje kunnen er andere tetraquarks zijn met dezelfde quarkinhoud, maar met een andere spin en pariteit. Deze voorspelling komt op een toevallig moment, dat samenvalt met de recente ontdekking van een tetraquark (T_cc ) met twee charm-quarks en twee lichte anti-quarks.

Bijgevolg bestaat er een duidelijke mogelijkheid dat het nieuw voorspelde deeltje of een verwante variant ontdekt zou kunnen worden met behulp van vergelijkbare experimentele methodologieën, gezien het feit dat het energiebereik en de helderheid die nodig zijn voor hun productie en detectie steeds toegankelijker worden.

Bovendien overtreft de bindingsenergie van het voorspelde deeltje die van alle ontdekte tetraquarks en wordt de binding zwakker naarmate de massa van de lichte quark toeneemt, wat verwijst naar de ingewikkelde dynamiek van sterke interacties tussen verschillende quark-massaregimes en ook de intrigerende kenmerken van sterke kracht verheldert. in hadronvorming, vooral die met zware quarks.

Dit brengt ook extra motivatie met zich mee om te zoeken naar zwaardere exotische subatomaire deeltjes in experimenten van de volgende generatie, die kunnen worden gebruikt bij het ontcijferen van de sterke kracht en het ontsluiten van het volledige potentieel ervan.