In de wereld die wordt geregeerd door kwantumfenomenen zijn er geen scherpe grenzen:kwantumdeeltjes kunnen ‘lekken’ buiten het gebied waartoe ze schijnbaar beperkt zijn. Dit kwantumtunneleffect is al in veel experimenten waargenomen, maar nog niet voor deeltjes die uit meer dan twee quarks bestaan. Dergelijke deeltjes, tetraquarks genoemd, zijn uiterst zeldzaam en hebben een korte levensduur, dus dit soort waarnemingen is een grote uitdaging.

De LHCb-samenwerking, een van de vier grote experimenten die worden uitgevoerd bij de Large Hadron Collider (LHC) van CERN, heeft een belangrijke stap gezet in de richting van het dichten van deze kloof. Door de gegevens te combineren die tijdens de eerste en tweede operationele run van de LHC waren verzameld, observeerde het team kwantumcorrelaties tussen paren van charme- en anti-charm-hadronen afkomstig van een enkele tetraquark-staat.

Deeltjes zoals tetraquarks zijn geen elementaire deeltjes, maar samengestelde toestanden bestaande uit verschillende meer fundamentele bestanddelen, quarks en gluonen genoemd. Deze laatste houden quarks bij elkaar en bemiddelen in de sterke kracht tussen hen. Tetraquarks worden voorspeld door de theorie van sterke interacties, Quantum Chromodynamics (QCD), en er is uitgebreid naar gezocht in experimenten met hoge energiedeeltjesfysica.

Deze nieuwste LHCb-analyse laat zien hoe deze uitzonderlijke tetraquarktoestanden worden gevormd en vervallen. Kwantumcorrelaties tussen paren van charme- en anti-charm-hadronen geven informatie over waar deze deeltjes worden geproduceerd in de LHCb-detector en bieden inzicht in de productiedynamiek van tetraquarks.

Het onderzoeksteam onderzocht alle mogelijke combinaties van paren van charme (c) en anti-charme (c‾) hadronen. De meeste paren, inclusief die welke afkomstig zijn uit dezelfde tetraquark-staat, geven er de voorkeur aan om centraal in de detector te worden geproduceerd. Dit wordt verwacht voor de meeste hadronische productiemechanismen die optreden bij botsingen met hoge energie. Er worden echter kwantumcorrelaties waargenomen voor paren van charme- en anti-charm-hadronen die afkomstig zijn uit dezelfde tetraquark-toestand. In dit geval geven de correlaties aan dat het productiepunt is verplaatst naar de kant waar geladen deeltjes (de valentie-quarks van het proton) van de binnenkomende protonen zich bevinden. Dit duidt op een mogelijk productiemechanisme voor tetraquarks waarbij het gluon dat wordt uitgezonden door het binnenkomende proton of antiproton (ook wel de “pomeron” genoemd) fluctueert naar de tetraquarktoestand die vervolgens vervalt in het paar hadronen.

Deze LHCb-analyse geeft ook inzicht in hoe de tetraquark-toestand vervolgens vervalt in het paar charm- en anti-charm-hadronen. De waarnemingen geven aan dat de tetraquark-toestand wordt omgezet in paren van charme- en anti-charm-quarks, die vervolgens opnieuw worden gerangschikt om de uiteindelijke hadronen te vormen.

De resultaten van deze studie verschaffen belangrijke informatie over de productie en het verval van de waargenomen tetraquarktoestand en bieden aanvullende inzichten voor andere LHCb-metingen van dergelijke deeltjes. De kwantumeffecten die voor het eerst in dit werk worden waargenomen, kunnen in de toekomst ook helpen om tetraquarks te onderscheiden van andere multi-quarktoestanden.

De LHCb-samenwerking kijkt ernaar uit om in de toekomst meer gegevens bij de LHC te verzamelen, waardoor ze de eigenschappen van tetraquarks en andere exotische deeltjes verder kunnen onderzoeken.