Projektet Large Hadron Collider Beauty (LHCb) har observerat en exotisk partikel som består av fyra charmkvarkar för första gången.

LHCb-samarbetet har observerat en typ av fyrkvarkspartikel som aldrig tidigare setts. Upptäckten, som presenterades vid ett nyligen genomfört seminarium vid CERN och beskrivs i en artikel som publiceras idag kommer sannolikt att vara den första av en tidigare oupptäckt klass av partiklar som fysiker aldrig tidigare sett.

Fyndet kommer att hjälpa fysiker att bättre förstå kvarker, en typ av elementär partikel som är en grundläggande byggsten för all materia. Kvarkar bildas tillsammans för att bilda kompositpartiklar som kallas hadroner, som inkluderar protoner och neutroner. Denna genombrott nya upptäckt kan hjälpa forskare nu att förstå de komplexa sätten på vilka kvarkar binder sig samman för att bilda dessa kompositer.

Kvarkar kombineras vanligtvis i grupper om tvåor och treor för att bilda hadroner. I årtionden, dock, teoretiker har förutspått existensen av fyra-kvarkar och fem-kvarkar hadroner, som ibland beskrivs som tetraquarks och pentaquarks och på senare år har experiment inklusive LHCb bekräftat förekomsten av flera av dessa exotiska hadroner.

Dessa partiklar gjorda av ovanliga kombinationer av kvarkar är ett idealiskt "laboratorium" för att studera en av de fyra kända grundläggande naturkrafterna, den starka interaktionen som binder protoner, neutroner och atomkärnor som utgör materia. Detaljerad kunskap om den starka interaktionen är också väsentlig för att avgöra om nya, oväntade processer är ett tecken på ny fysik eller bara standardfysik.

"Partiklar som består av fyra kvarkar är redan exotiska, och den vi just har upptäckt är den första som består av fyra tunga kvarkar av samma typ, specifikt två charmkvarkar och två charmantikvarkar, " säger den avgående talespersonen för LHCb-samarbetet, Giovanni Passaleva. "Ända tills nu, LHCb och andra experiment hade bara observerat tetraquarks med högst två tunga kvarker och inga med mer än två kvarkar av samma typ. "

Tillträdande talesperson för LHCb, Chris Parkes från University of Manchester sa:"Det är ett stort nöje och ära att ta över som LHCb-talesperson. Samarbetet omfattar över 1400 medlemmar från 19 olika länder, en gemenskap som arbetar tillsammans för att främja våra vetenskapliga mål. University of Manchester och de andra tio institutionerna i Storbritannien spelar en ledande roll i samarbetet.

"Dagens upptäckt öppnar ännu ett spännande kapitel i denna vetenskapliga bok, låter oss studera vår teori om materiepartiklar i ett extremfall. Denna partikel är ett extremfall – det är en exotisk-hadron, innehåller fyra kvarkar snarare än de två eller tre i konventionella materialpartiklar, och den första som innehåller tunga kvarkar.

"Att studera ett extremt system gör det möjligt för forskare att stresstesta våra teorier. Genom studien av denna partikel, och förhoppningen att vi kommer att upptäcka ytterligare partiklar i denna klass i denna framtid, vi kommer att testa vår teori om hur kvarkar kombineras som också styr protoner och neutroner."

LHCb-teamet hittade den nya tetraquark med partikeljaktstekniken för att leta efter ett överskott av kollisionshändelser, känd som en "bump", över en jämn bakgrund av händelser. Siktar igenom de fullständiga LHCb-datauppsättningarna från den första och andra körningen av Large Hadron Collider, som ägde rum från 2009 till 2013 respektive från 2015 till 2018, forskarna upptäckte en bula i massfördelningen av partiklar, som består av en berlockkvark och en berlockantikvark.

Guppet har en statistisk signifikans på mer än fem standardavvikelser, den vanliga tröskeln för att hävda upptäckten av en ny partikel, och det motsvarar en massa vid vilken partiklar sammansatta av fyra charmkvarkar förutses existera.

Som med tidigare upptäckter av tetraquark, det är inte helt klart om den nya partikeln är en "sann tetraquark", det är, ett system av fyra kvarkar som är tätt sammanbundna, eller ett par två-kvarkpartiklar svagt bundna i en molekylliknande struktur. Hur som helst, den nya tetraquark kommer att hjälpa teoretiker att testa modeller av kvantkromodynamik, teorin om den starka interaktionen.

Pappret, Observation av strukturen i J/ψ-parets masspektrum, publiceras på arXiv preprint-server.