Det starka samspelet är en av naturens grundläggande krafter, som binder kvarkar till hadroner som protonen och neutronen, atomernas byggstenar. Enligt kvarkmodellen, hadroner kan bildas av två eller tre kvarkar, kallas mesoner respektive baryoner, och kollektivt hänvisade till som konventionella hadroner. Kvarkmodellen tillåter också förekomsten av så kallade exotiska hadroner, består av fyra (tetraquarks), fem (pentaquarks) eller fler kvarkar. Ett rikt spektrum av exotiska hadroner förväntas precis som för de konventionella. Dock, ingen entydig signal om exotiska hadroner observerades förrän 2003, när X(3872)-tillståndet upptäcktes av Belle-experimentet. Under de följande åren, ytterligare några exotiska tillstånd upptäcktes. Förklaringen av deras egenskaper kräver förekomsten av fyra ingående kvarkar. Identifiering av pentaquark-tillstånd är ännu svårare, och de första kandidaterna observerades av LHCb-experimentet 2015. Alla dessa kända tillstånd innehåller högst två tunga kvarkar – skönhets- eller charmkvarken.

Nyligen, genom att studera den invarianta massfördelningen av två J/ψ-mesoner som produceras i proton-protonkollisioner vid masscentrumenergier upp till 13 TeV, LHCb-samarbetet observerade två strukturer. Den smalare strukturen beskrivs som ett hadrontillstånd med en massa på cirka 6900 MeV/c ² , betecknas som X(6900). Eftersom J/ψ-mesonen innehåller en charm (c) och en anticharm-kvark (bar{c}), det nya tillståndet föreslår ett minimalt kvarkinnehåll i ccbar{c}bar{c}, vilket gör den till en kandidat för fyra-charm tetraquark stater. Den andra strukturen, vara bred och nära två gånger J/ψ-vilomassan, kan bero på en annan tetraquark med större bredd eller en kombination av flera överlappande tetraquarktillstånd.

"Det är väldigt spännande att se det första experimentella beviset på en tetrakvark med fyra charm. Den unika sammansättningen av det nya tillståndet gör det till ett idealiskt laboratorium för att få insikt i den starka interaktionen inuti hadroner, " säger LHCb-fysikern som arbetar på INFN-avdelningen i Florens, Liupan An.

Medan kvantkromodynamik (QCD) är den vanligaste teorin för att beskriva den starka interaktionen, förståelse av den interna strukturen hos en hadron är ännu inte möjlig från första principens beräkningar. Modeller som approximerar QCD introduceras för att förklara bindningsmekanismen för kvarkar till hadroner. I den molekylära bilden, ett exotiskt tillstånd bildas av två svagt bundna konventionella hadroner som deuteronet. Den molekylära strukturen är för närvarande den gynnade tolkningen av de smala pentaquarks som observerats av LHCb och X(3872)-tillståndet.

Dock, hadroniska tillstånd gjorda enbart av tunga kvarkar förväntas vara hårt avgränsade; till exempel, en fyrkarmars tetrakvark brukar anses vara bildad av att en cc-diquark och abar{c}bar{c}-antidiquark attraherar varandra. cc-diquark-modellen förutspådde framgångsrikt massan av Ξcc++-baryonen som observerades av LHCb 2017. Återspridning av kända hadroner genom den starka interaktionen är också möjligt för att skapa strukturer som ser ut som ett hadrontillstånd. Naturen för de nyligen observerade tillstånden med fyra charm är ännu inte bestämt även om en kompakt tetraquark-tolkning är att föredra.

"LHCb-observationen öppnar ett nytt fönster för studier av multiquark hadronspektroskopi. Fler studier från både experimentella och teoretiska fysiker kommer att ge möjlighet att förstå karaktären av tillståndet med fyra charm, " säger Yanxi Zhang, arbetar med LHCb-experimentet vid Pekings universitet.

"Om tolkningen av fyra tunga kvarkar är korrekt, ett helt spektrum av dessa hårt bundna tillstånd förväntas upptäckas från de data som LHCb kommer att kunna samla in inom en snar framtid. Mätningar av dessa tillstånds massor och bredd, som kan förutsägas i QCD med relativt hög precision, kommer att ge ett undersökningstest av vår förståelse av de grundläggande interaktionerna mellan hadroner, ", tillägger Giacomo Graziani från INFN Florence.

LHCb är ett av de fyra stora experimenten som ligger vid den kraftfullaste partikelacceleratorn i världen, Large Hadron Collider (LHC) vid CERN. LHCb-experimentet är tillägnat precisionsmätningar av partiklar som innehåller charm- eller skönhetskvarkar, som syftar till att utforska pusslet materia-antimateria asymmetri, letar efter indirekta bevis på ny fysik, och undersöka den starka interaktionen. Samarbetet består av mer än 1400 fysiker och ingenjörer från hela världen.

"Detta är ett viktigt steg framåt för att utforska den interna strukturen och dynamiken hos hadroner." sa prof. Yuanning Gao, ledare för den kinesiska LHCb-gruppen, "LHCb-experimentet har återigen visat sin förmåga inom tung smakspektroskopi, och kommer att fortsätta att bidra till förståelsen av den starka interaktionen."

Den starka interaktionen fortsätter att överraska oss med nya strukturer och nya fenomen efter flera decennier av sökande och kommer säkert att göra det igen i framtiden.