Forskare vid The Institute of Mathematical Science (IMSc) och Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) har nyligen undersökt den komplexa domänen av subatomära partiklar och publicerat ett nytt fynd i tidskriften Physical Review Letters . Deras studie belyser en ny horisont inom kvantkromodynamik (QCD), kastar ljus över exotiska subatomära partiklar och tänjer på gränserna för vår förståelse av den starka kraften.
I kärnan av denna utforskning ligger den gåtfulla grundläggande starka kraften, som genererar nästan all massa av all synlig materia i universum. En handfull fundamentala partiklar, kända som kvarkar, som deltar i spännande interaktioner genom att utbyta gluoner, skapar alla sammansatta subatomära partiklar som så småningom bildar all synlig materia i vårt universum.
Centralt för denna förståelse är QCD-teorin, som styr dynamiken i starka interaktioner. QCD tillåter bildandet av färgneutrala kombinationer av kvarkar till subatomära partiklar, allmänt kallade hadroner. Traditionellt har hadroner klassificerats i två huvudkategorier:mesoner, såsom pioner, bestående av en kvark och en anti-kvark, och baryoner, som protoner, som består av tre kvarkar.
Men bortom dessa kategorier ligger exotiska hadroner, inklusive de med fyra, fem eller sex kvarkar, och till och med partiklar med gluoner, såsom limbollar. Fram till relativt nyligen förblev förekomsten av dessa exotiska hadroner i stort sett okänt territorium för partikelfysiker.
Under det senaste och ett halvt decenniet har en uppsjö av experimentella upptäckter belyst denna tidigare oklara domän, och avslöjat rika spektra av exotiska hadroner som trotsar konventionella föreställningar om den starka kraften och utmanar vår förståelse av subatomära partiklar.
Bland dessa exotiska hadroner finns tetrakvarkar, som är sammansatta av fyra kvarkar (mer exakt två kvarkar och två antikvarkar). De kan existera i mycket kompakta former eller som löst bundna molekyler av två mesoner eller något annat:deras exakta strukturer förblir ett mysterium. De anses också vara de vanligaste exotiska och det förväntas att många fler kommer att upptäckas i framtiden.
Teoretiska studier kan hjälpa till med dessa upptäckter genom att förutsäga deras kvarkinnehåll och möjliga energiområden. I detta senaste arbete har Prof. Nilmani Mathur och en postdoktor, Dr. Archana Radhakrishnan, från Institutionen för teoretisk fysik, TIFR, och Dr. M. Padmanath från IMSc förutspått förekomsten av en ny tetraquark. Denna nya subatomära partikel är sammansatt av en skönhets- och en charmkvark tillsammans med två lätta antikvarkar, och den tillhör en familj av tetrakvarkar, kallade Tbc :de vackert charmiga tetrakvarkarna.
Forskarna har använt beräkningsmöjligheten från Indian Lattice Gauge Theory Initiative (ILGTI) för att utföra denna beräkning. Bildandet av denna speciella tetraquark undersöktes med hjälp av interaktionerna mellan en botten- och en charmmeson. Genom att använda variationstekniker över varierande gitteravstånd och valens lätta kvarkmassor, undersökte denna studie energiegenvärden för de interagerande mesonsystemen inom ändliga volymer och drog slutsatsen att denna tetrakvark existerade.
I likhet med den förutsagda partikeln kan det finnas andra tetraquarks med samma kvarkinnehåll men med olika spinn och paritet. Denna förutsägelse kommer vid ett slumpmässigt ögonblick, sammanfallande med den senaste upptäckten av en tetraquark (Tcc ) som innehåller två charmkvarkar och två lätta antikvarkar.
Följaktligen finns det en tydlig möjlighet att den nyligen förutspådda partikeln eller en relaterad variant mycket väl skulle kunna upptäckas med liknande experimentella metoder, med tanke på att energiintervallet och ljusstyrkan som krävs för deras produktion och detektering blir alltmer tillgängliga.
Dessutom överstiger bindningsenergin för den förutsagda partikeln den för alla upptäckta tetraquarks och bindningen försvagas när massan av lättkvarken ökar, vilket anspelar på invecklad dynamik av starka interaktioner över olika kvarkmassregimer samt klarlägger de spännande egenskaperna hos stark kraft i hadronbildning, särskilt de med tunga kvarkar.
Detta ger också ytterligare motivation att söka efter tyngre exotiska subatomära partiklar i nästa generations experiment, som skulle kunna användas för att dechiffrera den starka kraften och låsa upp dess fulla potential.
