Under loppet av 1900-talet har fysiker upptäckt många elementarpartiklar. Den största familjen av dessa partiklar är de så kallade hadronerna, subatomära partiklar som deltar i starka interaktioner.

Denna breda familj av partiklar innehåller många underuppsättningar av partiklar med liknande egenskaper. 1964 introducerade M. Gell-Mann och G. Zweig en berömd teori känd som "Quark-modellen", som tydligt beskrev hadronernas inre struktur.

Quarkmodellen antyder att hadroner består av antingen tre kvarkar (baryoner) eller kvark-antikvarkpar (mesoner). Även om många avtäckta hadroner faller inom en av dessa två kategorier, antar modellen också förekomsten av hadroner med mer komplexa strukturer, såsom pentaquarks (dvs fyra kvarkar och en antikvark) och tetraquarks (dvs två kvark-antikvarkpar).

Många studier på 1970-talet teoretiserade om de möjliga mekanismerna som ligger till grund för bildandet av dessa komplexa hadronstrukturer. Alla hadroner som upptäckts fram till 2003 hade strukturer som matchar en av de två huvudtyperna som beskrivs av Quark-modellen, men vissa av partiklarna som observerats efter det datumet är svåra att förklara med modellen.

LHCb-experimentet är en detektor vid CERN Large Hadron Collider som främst syftar till att avslöja skillnader mellan materia och antimateria genom att studera en specifik typ av partikel, känd som "skönhetskvarken". LHCb Collaboration, den stora grupp forskare som är involverade i experimentet, har nyligen observerat en exotisk tetrakvark med en ovanlig struktur, innehållande två charmkvarkar.

"Upptäckten av den tunga charmkvarken 1974 (observation av J/ψ-mesoner 1974, ofta kallad "novemberrevolutionen") och ännu tyngre skönhetskvark 1977, ledde till insikten att tetrakvarkar bestående av två tunga kvarkar och två lätta antikvarker kan ha intressanta och ovanliga egenskaper, säger Vanya Belyaev, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Men experimentella anläggningar lämpliga för sökning och studier av sådana "dubbelt tunga" föremål dök upp först på 2000-talet, med starten av Large Hadron Collider vid CERN."

Vid LHC-kollideren kan fysiker studera kollisioner mellan protoner vid mycket höga energier, vilket främjar produktionen av många tunga och dubbeltunga partiklar. Under 2011 och 2012 analyserade LHCb-samarbetet en liten bråkdel av de data som samlats in vid LHC och fann att sannolikheten för samtidig produktion av två charm-anticharm-kvarkpar vid dessa höga energier var långt ifrån låg, vilket tyder på att kollideraren kunde möjliggöra observation av dubbla tunga föremål.

"Med mer data rapporterade LHCb-samarbetet 2017 en observation av den dubbla charmbarjonen Ξ_cc ⁺⁺ som består av de två charm-kvarkarna och lätta u-kvarkar," förklarade Belyaev. "Med denna observation blev det klart att om dubbel charm-tetraquark existerar, skulle deras observation bara vara en tidsfråga."

Efter LHCb:s observation av dubbel charmbaryon Ξ_cc ⁺⁺ , M.Karliner och J.Rosner kunde använda sina uppmätta egenskaper för att exakt förutsäga egenskaperna som en hypotetisk tetraquark skulle ha. En sådan tetrakvark skulle bestå av två charmkvarkar, en u-antikvark och en d-antikvark. Den teoretiska partikeln fick namnet T_cc ⁺ .

"De förutsagda egenskaperna för T_cc ⁺ tetraquark antyder att partikeln kommer att visa sig som en smal topp i massfördelningen för paret charmade mesoner D ^*+ och D ⁰ , där D ^*+ och D ⁰ är konventionella charmade mesoner som består av (charmkvark och anti-d-quark) och (charmkvark och anti-u-quark)," sa Belyaev. "Det är intressant att notera att den förutsagda massan av T_cc ⁺ tetraquark är mycket nära summan av massorna av D ^*+ och D ⁰ mesons, vilket också betyder att om massan bara blir 1 % lägre än det förutsagda värdet, kommer egenskaperna hos T_cc ⁺ kommer att vara väldigt olika och kommer inte att synas i D ^*+ och D ⁰ masspektrum. Om massan blir bara 5 % högre blir toppen bred (eller till och med väldigt bred) och det kommer att vara mycket svårt, nästan omöjligt, att observera experimentellt."

I huvudsak pekade arbetet av M. Karliner och J. Rosner exakt de förhållanden som skulle vara lämpliga för att observera den hypotetiska T_cc ⁺ tetraquark. Deras förutsägelser var i slutändan det som styrde det senaste arbetet av LHCb-samarbetet.

I sin studie studerade samarbetet noggrant massspektrumet för D ^*+ och D ⁰ mesonpar, med hjälp av en datauppsättning som innehåller all data som ackumulerats vid LHC-kollideren från 2011 till 2018. I sin tidigare analys, utförd 2012, använde forskarna endast 4 % av den data som finns tillgänglig idag för att studera området för de relativt stora massorna av D ^*+ och D ⁰ par.

I sin nya analys fokuserade de specifikt på området av massor som är närmare summan av D ^*+ och D ⁰ mesonmassor. I denna region observerade de över hundra signal T_cc ⁺ tetrakvarkar som bildar en påfallande smal topp mycket nära summan av D ^*+ och D ⁰ mesonmassor med en överväldigande statistisk signifikans.

"Den statistiska signifikansen vi observerade är så hög att den helt utesluter att den observerade signalen är en statistisk fluktuation," förklarade Belyaev. "Sedan D ^*+ meson består av en charm-kvark och en anti-d-kvark, och D ⁰ meson består av charmkvark och anti-u-quark, den fixar det minimala kvarkinnehållet i den observerade som två charmkvarkar, anti-d-quar och anti-u-quar."

LHCb-samarbetet utförde sedan många tester för att validera deras resultat. Alla dessa tester bekräftade att signalen de observerade var associerad med en T_cc ⁺ tetraquark. Slutligen mätte de massan på T_cc ⁺ tetraquark och bredden på dess topp.

"Enligt kvantmekanikens lagar är toppens bredd relaterad till partikelns omvända livslängd, och vi fann att bredden motsvarar en mycket lång livslängd, en av de största för de partiklar som sönderfaller på grund av starka interaktioner och den längsta för alla exotiska hadroner som hittats hittills," sa Belyaev. "I någon mening, T_cc ⁺ är Metusalem av de exotiska hadronerna."

Forskarna har nyligen genomfört en uppföljningsstudie, som presenteras i Nature Communications , ytterligare utforska egenskaperna hos T_cc ⁺ partikel. I denna uppsats visade de att sönderfallsmönstret överensstämmer med T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁰ π ⁺ )D ⁰ . De kontrollerade också fördelningen av massan av D ⁰ D ⁰ och D ⁺ D ⁰ par och fann att förbättringarna i dessa spektra är mycket väl förenliga med sönderfallen T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁰ π ⁺ )D ⁰ med saknade π ⁺ meson och T_cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁺ π ⁰ /γ)D ⁰ med saknad π ⁰ /γ.

"Vi har ännu inte mätt kvanttalen för T_cc ⁺ partiklar direkt, men vi gav starka argument för att det totala spinn J och pariteten P för den observerade partikeln, som är de viktigaste kvanttalen, är J ^P =1 ⁺ , i perfekt överensstämmelse med förväntningarna," sa Belyaev. "För att undersöka ett annat viktigt kvanttal, isospin, har vi studerat masspektra för D ⁰ D ⁰ , D ⁺ D ⁰ , D ⁺ D ⁺ , D ⁺ D ^*+ par, letar efter möjliga bidrag från de hypotetiska isospin-partnerna. De hittade inga tecken som tydde på att isospinen hos den nyligen observerade T_cc ⁺ tillståndet är 0, i överensstämmelse med förutsägelserna."

T_cc ⁺ tetraquark som observerats av LHCb-samarbetet kan ha åtminstone två olika interna strukturer. Det kan till exempel ha en "molekylär-liknande struktur", där två charmkvarkar är åtskilda av ett stort avstånd, jämförbart med storleken på atomkärnan, en "kompakt struktur", där avståndet mellan de två charmkvarkarna är avsevärt mindre, eller en kombination av de två.

I sin senaste uppföljning använde teamet en sofistikerad modell för att bestämma vad denna struktur skulle kunna vara och mätte de grundläggande egenskaperna hos T_cc ⁺ tillstånd, inklusive spridningslängd, effektiv räckvidd och polposition, som är viktiga när man försöker bestämma en partikels inre struktur. De värden som forskarna mätt är kompatibla med en molekylärliknande struktur, men detta är ännu inte bekräftat.

LHCb-samarbetets observation av T_cc ⁺ tetraquark är ett betydande bidrag till området högenergi och partikelfysik. I själva verket har det redan väckt viktiga teoretiska diskussioner om naturen hos T_cc ⁺ , relaterade molekylärliknande tillstånd, såsom den gåtfulla X(3872), och det allmänna problemet med förekomsten av "kompakta tetraquarks."

I sina framtida studier planerar samarbetet att försöka direkt bestämma kvanttalen för det nya tillståndet, eftersom de hittills bara uppnått starka, men indirekta bevis för dem.

"Det är mycket viktigt att förstå produktionsmekanismen för T_cc ⁺ tillstånd i proton-protonkollision," tillade Belyaev. "För närvarande har vi några kontraintuitiva observationer - vissa distributioner, som tvärgående momentum och spårmångfald är verkligen förbryllande och mer data behövs för upplösning. Det ska bli mycket intressant att jämföra produktionen av T_cc ⁺ och Ξ_cc ⁺⁺ partiklar – här förväntas en viss nivå av likhet, men också att jämföra egenskaperna, inklusive produktionsegenskaper, hos T_cc ⁺⁺ partikel och en gåtfull X(3872)-partikel." + Utforska vidare

LHCb upptäcker tre nya exotiska partiklar:pentaquark och det första paret av tetraquarks någonsin

© 2022 Science X Network