LHCb -samarbetet har upptäckt en ny partikel. Dess massa och andra egenskaper placerar den helt i charmoniumfamiljen som innehåller den mer kända J/ψ-partikeln, som var den första partikeln som innehöll en "charmkvark" som upptäcktes och vann sina upptäckare ett nobelpris i fysik. Framtida studier av egenskaperna hos detta nya charmoniumtillstånd och dess släktingar kommer att hjälpa fysiker att bättre förstå den starka kraft som binder samman kvarker, bland de minsta partiklar som vi känner till.

Charmoniumpartiklar är tvåkvarkpartiklar (kallade mesoner) sammansatta av en charmkvark och dess antimateria-motsvarighet, charmens antikvaro. Charmkvarkar är den tredje mest massiva av sex kvarktyper. Precis som atomer, mesoner kan observeras i upphetsade tillstånd med högre energi, där mesonernas ingående kvarker rör sig runt varandra i olika konfigurationer. Dessa olika arrangemang ger upphov till en mängd partiklar med olika massor och kvantegenskaper som spinn, som kan ses som rotation av ett system runt dess axel.

Att observera sådana upphetsade tillstånd och mäta deras egenskaper ger ett sätt att testa modeller för kvantkromodynamik (QCD), teorin som beskriver hur kvarkar fastnar i sammansatta partiklar. Vad mer, kunskap om hela samlingen av dessa tillstånd hjälper till att identifiera exotiska tillstånd med mer än tre kvarkar, såsom tetraquarks, som också förutspås av QCD men som nyligen har upptäckts. Om alla upphetsade tillstånd redovisas, fysiker kan vara mer säkra på att alla återstående är exotiska.

För att fånga den nya charmoniumpartikeln, LHCb -samarbetet, ett av de fyra huvudförsöken på Large Hadron Collider, studerat sönderfall av charmoniumtillstånd som produceras vid proton -protonkollisioner i par D -mesoner, med hjälp av data som registrerats mellan 2011 och 2018; D mesoner är de lättaste partiklarna som innehåller charmkvarker. Samarbetet mätte massintervallet för D-meson-paren och summerade sedan hur många gånger de registrerade varje massvärde inom det uppmätta området. De letade sedan efter ett överflöd av händelser, eller stöta, i denna massfördelning, och hittade en ny, smal topp vid en massa som motsvarar ett tidigare obemärkt charmoniumtillstånd som kallas ψ3 (1D). Partikeln har ett centrifugeringsvärde av 3, vilket gör detta till den första observationen av ett spin-3 charmonium-tillstånd. Det höga snurrvärdet kan bero på toppens smala bredd och det faktum att det har tagit så lång tid att hitta.