LHCb-experimentet vid CERN har utvecklat en förkärlek för att hitta exotiska kombinationer av kvarkar, de elementarpartiklar som går samman för att ge oss sammansatta partiklar som den mer välbekanta protonen och neutronen. Särskilt, LHCb har observerat flera tetraquarks, som, som namnet antyder, är gjorda av fyra kvarkar (eller snarare två kvarker och två antikvarker). Att observera dessa ovanliga partiklar hjälper forskare att förbättra vår kunskap om den starka kraften, en av de fyra kända fundamentala krafterna i universum. Vid ett CERN-seminarium som hölls praktiskt taget den 12 augusti, LHCb tillkännagav de första tecknen på en helt ny typ av tetraquark med en massa på 2,9 GeV/c²:den första sådana partikeln med bara en charmkvark.

Först förutspåddes existera 1964, forskare har observerat sex sorters kvarkar (och deras antikvarkarmotsvarigheter) i laboratoriet:upp, ner, charm, konstig, överdel och underdel. Eftersom kvarkar inte kan existera fritt, de grupperar sig för att bilda sammansatta partiklar:tre kvarkar eller tre antikvarkar bildar "baryoner" som protonen, medan en kvarg och en antikvark bildar "mesoner".

LHCb-detektorn vid Large Hadron Collider (LHC) är ägnad åt studiet av B-mesoner, som innehåller antingen en botten eller en antibotten. Kort efter att ha producerats i proton-protonkollisioner vid LHC, dessa tunga mesoner omvandlas - eller "förfaller" - till en mängd lättare partiklar, som kan genomgå ytterligare förändringar själva. LHCb-forskare observerade tecken på den nya tetraquark i ett sådant förfall, där den positivt laddade B-mesonen omvandlas till en positiv D-meson, en negativ D-meson och en positiv kaon:B ⁺ →D ⁺ D ⁻ K ⁺ . Totalt, de studerade omkring 1300 kandidater för just denna transformation i all data som LHCb-detektorn har registrerat hittills.

Den väletablerade kvarkmodellen förutspår att några av D ⁺ D ⁻ par i denna transformation kan vara resultatet av mellanliggande partiklar – såsom ψ(3770) mesonen – som bara manifesterar sig tillfälligt:​​B ⁺ →ψ(3770)K ⁺ →D ⁺ D ⁻ K ⁺ . Dock, teorin förutsäger inte mesonliknande mellanhänder som resulterar i en D ^- K ⁺ par. LHCb blev därför förvånade över att se ett tydligt band i deras data motsvarande ett mellantillstånd som omvandlas till ett D ⁻ K ⁺ par med en massa på cirka 2,9 GeV/c², eller ungefär tre gånger massan av en proton.

Uppgifterna har tolkats som det första tecknet på ett nytt exotiskt tillstånd med fyra kvarker:en antikarm, en upp, ett dun och ett antikonstigt (c̄uds̄). Alla tidigare tetrakvarkliknande tillstånd som observerats av LHCb hade alltid ett charm-anticharm-par, vilket resulterar i en "charmsmak" på nettonoll. Det nyligen observerade tillståndet är första gången en tetraquark som innehåller en enda charm har setts, som har kallats en "öppen charm" tetraquark.

"När vi först såg överskottet i vår data, vi trodde att det var ett misstag, säger Dan Johnson, som ledde LHCb-analysen. "Efter år av att analysera data, vi accepterade att det verkligen är något överraskande! "

Varför är detta viktigt? Det råkar vara så att juryn fortfarande är ute efter vad en tetraquark egentligen är. Vissa teoretiska modeller gynnar föreställningen att tetraquarks är par av distinkta mesoner som tillfälligt är sammanbundna som en "molekyl, medan andra modeller föredrar att tänka på dem som en enda sammanhängande enhet av fyra partiklar. Identifiera nya typer av tetrakvarkar och mäta deras egenskaper – såsom deras kvantspinn (deras inneboende rumsliga orientering) och deras paritet (hur de ser ut under en spegel- som transformation) – kommer att bidra till att måla en tydligare bild av dessa exotiska invånare i den subatomära domänen. Johnson tillägger:"Denna upptäckt kommer också att tillåta oss att stresstesta våra teorier i en helt ny domän."

Medan LHCb:s observation är ett viktigt första steg, mer data kommer att behövas för att verifiera arten av strukturen som observeras i B ⁺ förfall. LHCb-samarbetet kommer också att förutse oberoende verifiering av deras upptäckt från andra dedikerade B-fysik-experiment som Belle II. Under tiden, LHC fortsätter att ge nya och spännande resultat för både experimentalister och teoretiker att gräva i.