Att förutsäga egenskaperna hos subatomära partiklar innan deras experimentella upptäckt har varit en stor utmaning för fysiker. I en färsk tidning publicerad den 28 juli i Fysiska granskningsbrev Nilmani Mathur från Tata Institute of Fundamental Research, Mumbai, och M. Padmanath, en tidigare student från TIFR, har förutspått kvanttalen på fem Ω ⁰ _c baryoner som nyligen har upptäckts av ett experiment vid Large Hadron Collider (LHCb-samarbetet) vid CERN. Dessa resultat kommer att hjälpa till att förstå karaktären av starka interaktioner i universum.

En baryon är en sammansatt subatomär partikel gjord av tre valenskvarkar och är bunden av gluoner genom starka interaktioner. Den mest kända baryonen är protonen som tillsammans med en elektron utgör en väteatom. En förenklad bild av en proton är en kombination av två uppkvarkar och en nedkvarkar. I teorin om starka interaktioner finns sex kvarkar vardera med tre färgladdningar. Denna teori tillåter valfri kombination av en kvark och en anti-kvark såväl som vilken kombination av tre kvarkar som helst i ett färgneutralt tillstånd som resulterar i varianter av subatomära partiklar som kallas mesoner och baryoner, respektive. Upptäckten av många mesoner och baryoner sedan mitten av 1900-talet, har spelat en avgörande roll för att förstå karaktären av starka interaktioner. Det förväntas att många andra mesoner och baryoner kommer att upptäckas i pågående experiment vid CERN och framtida högenergiexperiment.

Dessa nyligen upptäckta baryoner kallas Ω ⁰ _c gjord av två konstiga kvarkar och en charmkvark. Dessa är de exciterade tillstånden för Ω ⁰ _c baryon, ungefär som väteatomens exciterade tillstånd.

Quantum Chromodynamik (QCD) som tros vara teorin om starka interaktioner, är en mycket icke-linjär teori och kan endast lösas analytiskt vid mycket höga energier där styrkan i interaktioner är ganska liten. Hittills finns det ingen analytisk lösning av QCD för att erhålla egenskaperna hos subatomära partiklar, som protonen och Ω _c . Detta kräver den numeriska implementeringen av QCD på rum-tidsgitter som är känt som gitter QCD (LQCD). LQCD-metoder kan beskriva spektrumet av subatomära partiklar och även deras egenskaper, som sönderfallskonstanter. LQCD spelar också en avgörande roll för att förstå materia under hög temperatur och densitet som liknar tillståndet i universums tidiga skeden.

I detta arbete förutspådde Padmanath och Nilmani kvanttalen för dessa nyupptäckta Ω ⁰ _c baryoner som annars var okända experimentellt. Faktiskt, Padmanaths examensarbete förutspådde massan av dessa partiklar fyra år innan de upptäcktes. Genom att använda toppmoderna metoder för LQCD och beräkningsresurser vid Institutionen för teoretisk fysik och Indian Lattice Gauge Theory Initiative (ILGTI), de utförde en exakt och systematisk bestämning av energier och kvanttal för tornet av exciterade tillstånd av Ω ⁰ _c baryoner. Deras förutsagda resultat jämförs med experimentella fynd (se tabell). Förutspådda kvantantal för dessa partiklar kommer att hjälpa till att förstå egenskaperna hos dessa partiklar, vilket i sin tur kommer att hjälpa till att förstå karaktären av starka interaktioner.

Sedan 2001 har Nilmani och hans medarbetare förutspått massorna av olika andra subatomära partiklar med olika kvarkinnehåll, av vilka några redan har upptäckts (efter att de förutspåtts) och många andra kommer förmodligen att upptäckas i framtida experiment. Till exempel, deras förutsägelse av massan av Ξ _cc baryon (en baryon gjord av två charmkvarkar och en lätt kvarkar) så tidigt som 2001 och så sent som 2014 bekräftades av upptäckten av denna partikel den 6 juli, 2017, av LHCb-samarbetet.

Nilmani och Padmanath tillsammans med andra teoretiska fysiker vid TIFR studerar för närvarande egenskaperna hos olika subatomära partiklar, särskilt de som är gjorda av tunga kvarkar, med hjälp av storskaliga datorsimuleringar. De använder beräkningsfaciliteterna i ILGTI:s högpresterande datorcenter vid ballonganläggningen, Hyderabad, som är värd för en Cray superdator. Resultaten av deras arbete kommer att hjälpa till att förstå karaktären av starka interaktioner i universum.