LHCb-samarbetet vid CERN har tillkännagett upptäckten av en ny exotisk partikel:en så kallad "tetraquark". Uppsatsen av mer än 800 författare har ännu inte utvärderats av andra forskare i en process som kallas "peer review", men har presenterats på ett seminarium. Den uppfyller också den vanliga statistiska tröskeln för att hävda upptäckten av en ny partikel.

Fyndet markerar ett stort genombrott i en sökning på nästan 20 år, utförs i partikelfysiklabb över hela världen.

För att förstå vad en tetraquark är och varför upptäckten är viktig, vi måste ta ett steg tillbaka i tiden till 1964, när partikelfysiken var mitt uppe i en revolution. Beatlemania hade precis exploderat, Vietnamkriget rasade och två unga radioastronomer i New Jersey hade precis upptäckt de starkaste bevisen någonsin för Big Bang-teorin.

På andra sidan USA, vid California Institute of Technology, och på andra sidan Atlanten, på CERN i Schweiz, två partikelfysiker publicerade två oberoende artiklar om samma ämne. Båda handlade om hur man kan förstå det enorma antal nya partiklar som hade upptäckts under de senaste två decennierna.

Många fysiker kämpade för att acceptera att så många elementarpartiklar kunde existera i universum, i vad som hade blivit känt som "partikelzoo". George Zweig från Caltech och Murray Gell-Mann från CERN hade slagit på samma lösning. Tänk om alla dessa olika partiklar verkligen var gjorda av mindre, okända byggstenar, på samma sätt som de hundra udda grundämnena i det periodiska systemet är gjorda av protoner, neutroner och elektroner? Zweig kallade dessa byggstenar "ess", medan Gell-Mann valde termen som vi fortfarande använder idag:"kvarkar".

Vi vet nu att det finns sex olika sorters kvarkar – uppåt, ner, charm, konstig, topp, botten. Dessa partiklar har också respektive antimateriakompanjoner med motsatt laddning, som kan binda samman enligt enkla regler baserade på symmetrier. En partikel gjord av en kvark och en antikvark kallas "meson"; medan tre kvarkar bundna tillsammans bildar "baryoner". De välbekanta protonerna och neutronerna som utgör atomkärnan är exempel på baryoner.

Detta klassificeringsschema beskrev vackert 1960-talets partikelzoo. Dock, även i hans originaltidning, Gell-Mann insåg att andra kombinationer av kvarkar kan vara möjliga. Till exempel, två kvarkar och två antikvarkar kan hålla ihop för att bilda en "tetrakvark", medan fyra kvarkar och en antikvark skulle göra en "pentaquark".

Exotiska partiklar

Snabbspola framåt till 2003, när Belle-experimentet vid KEK-laboratoriet i Japan rapporterade observationen av en ny meson, kallas X(3872), som visade "exotiska" egenskaper helt annorlunda än vanliga mesoner.

Under de följande åren, flera nya exotiska partiklar upptäcktes, och fysiker började inse att de flesta av dessa partiklar bara kunde förklaras framgångsrikt om de var tetraquarks gjorda av fyra kvarkar istället för två. Sedan, under 2015, LHCb-experimentet vid CERN upptäckte de första pentaquark-partiklarna gjorda av fem kvarkar.

Alla tetrakvarkar och pentakvarkar som hittills har upptäckts innehåller två charmkvarkar, som är relativt tunga, och två eller tre lätta kvarkar – uppåt, nere eller konstigt. Denna speciella konfiguration är verkligen den enklaste att upptäcka i experiment.

Men den senaste tetraquark upptäckt av LHCb, som har döpts till X(6900), består av fyra charmkvarkar. Tillverkad i högenergiprotonkollisioner vid Large Hadron Collider, den nya tetraquark observerades via dess sönderfall till par av välkända partiklar som kallas J/psi-mesoner, var och en gjord av en berlockkvark och en berlockantikvark. Detta gör den särskilt intressant eftersom den inte bara består helt av tunga kvarkar, men också fyra kvarkar av samma slag – vilket gör det till ett unikt exemplar för att testa vår förståelse för hur kvarkar binder samman.

Tills vidare, det finns två olika modeller som kan förklara hur kvarkar binder samman:det kan vara så att de är starkt bundna, skapa vad vi kallar en kompakt tetraquark. Eller så kan det vara så att kvarkarna är arrangerade för att bilda två mesoner, som sitter löst ihop i en "molekyl".

Vanliga molekyler är gjorda av atomer bundna till varandra av den elektromagnetiska kraften, som verkar mellan positivt laddade kärnor och negativt laddade elektroner. Men kvarkarna i en meson eller baryon är anslutna via en annan kraft, den "starka kraften". Det är verkligen fascinerande att atomer och kvarkar, följa väldigt olika regler, kan båda bilda mycket lika komplexa objekt.

Den nya partikeln verkar vara mest överensstämmande med att vara en kompakt tetraquark snarare än en tvåmesonmolekyl, vilket var den bästa förklaringen till tidigare upptäckter. Detta gör det ovanligt, eftersom det kommer att tillåta fysiker att studera denna nya bindningsmekanism i detalj. Det innebär också att det finns andra tunga kompakta tetraquarks.

Fönster in i mikro-kosmos

Den starka kraft som verkar mellan kvarkar följer mycket komplicerade regler - så komplicerade, faktiskt, att det vanligtvis enda sättet att beräkna dess effekter är att använda approximationer och superdatorer.

Den unika karaktären hos X(6900) hjälper till att förstå hur man kan förbättra noggrannheten hos dessa uppskattningar, så att vi i framtiden kommer att kunna beskriva andra, mer komplexa mekanismer inom fysiken som inte finns inom vår räckhåll idag.

Sedan upptäckten av X(3872), studiet av exotiska partiklar har blomstrat, med hundratals teoretiska och experimentella fysiker som arbetar tillsammans för att kasta lite ljus över detta spännande nya fält. Upptäckten av den nya tetraquark är ett stort steg framåt, och är en indikation på att det fortfarande finns många nya exotiska partiklar där ute, väntar på att någon ska avslöja dem.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.