I över ett decennium har CMS Collaboration, ett stort team av forskare baserade på olika institut över hela världen, analyserat data som samlats in vid Compact Muon Solenoid, en allmän partikeldetektor vid CERNs Large Hadron Collider (LHC). Detta storskaliga internationella vetenskapliga samarbete har försökt observera olika svårfångade fysiska fenomen, inklusive exotiska partiklar och kandidater för mörk materia.
I en nyligen publicerad artikel, publicerad i Physical Review Letters , rapporterade CMS Collaboration tre exotiska helt tunga kvarkstrukturer. Dessa strukturer, som verkar vara en del av en gemensam familj, kan öppna nya intressanta vägar för partikelfysikforskning.
"Ganska mycket allt vi upplever i våra dagliga liv består av tre partiklar:elektroner, protoner och neutroner," sa professor Kai Yi vid Nanjing Normal University och Tsinghua University, medförfattare till tidningen, till Phys.org . "Elektroner, så vitt vi vet, är fundamentala, men de andra två består av trillingar av saker som kallas kvarkar. Kvarkmodellen av partiklar föreslogs 1964, och i början av 1970-talet fanns det övertygande bevis för att den var riktig."
Modellen som introducerades 1964 beskriver kvarkar som nära bundna partiklar, så starkt förbundna att de inte kan existera ensamma och istället observeras endast som bundna kvarktripletter (qqq) eller kvark-antikvark (qq - ) dubletter. Fysiker har identifierat ett stort antal av dessa nära bundna kvarksystem, även kända som "hadroner."
"Det finns ett stort antal av dessa kvarksystem, men bortsett från protonen och neutronen har de bara en flyktig existens," förklarade prof. Yi. "Kvarkteorin från 1964 hade ett kryphål, att kanske, bara kanske, kvartetter och kvintetter av kvarkar också kunde bilda partiklar, som kallas "exotiska" hadroner. Fysiker lekte med denna möjlighet i årtionden, men det var en sorts fransar. aktivitet."
Under lång tid verkade observation av exotiska hadroner vara ett utmanande och svårfångat forskningsmål. En anledning till detta är att tillgängliga experimentella verktyg endast tillät fysiker att söka efter exotiska system som är helt sammansatta av lätta (u, d, s) kvarkar, som är svåra att urskilja från normala hadroner.
"I takt med att mer kraftfulla partikelkolliderare blev tillgängliga, kom system som innehåller tyngre (c, b) kvarkar i bättre och bättre sikt - och ju tyngre kvarken, och ju fler det finns, desto lättare att förstå systemet blev systemet", sa prof. Yi. "En singelkvark (c) har en massa ungefär en och en halv gånger en protons massa, och en bottenkvark (b) är ungefär fem gånger tyngre än en proton, medan enskilda u- och d-kvarkar är mindre än cirka 0,5 % av en protons massa."
År 2003 väckte en artikel från Belle Collaboration i Japan nytt intresse för exotiska system, genom att avslöja X(3872), som föreslogs som en möjlig cc - qq - system (d.v.s. ett system som innehåller två tunga kvarkar). Detta banade vägen för nya studier som introducerade andra exotiska hadronkandidater som innehåller charm och till och med bottenkvarkar, vilket antyder förekomsten av tetra- och penta-kvarksystem.
Trots dessa ansträngningar förblir den interna strukturen hos exotiska hadroner ett mysterium, eftersom rapporterade system inkluderar lätta kvarkar och därför är svåra att modellera. Observationen av system som enbart består av tunga kvarkar kan därmed öppna ett nytt fönster mot exotiska strukturer, vilket gör det möjligt för fysiker att bättre förstå de starka interaktionerna mellan kvarkar.
"Problemet med tunga kvarkar är att de är svåra att göra," sa prof. Yi. "Ett steg i denna riktning är att hitta system där u- eller d-kvarkar ersätts av s-kvarken. Även om den fortfarande anses vara en lätt kvark är s-kvarken ungefär 40 gånger massan av en u-kvark. 2009 åstadkoms detta med upptäckten av Y(4140), nu kallad chi_c(4140), som är en kandidat för en cc - ss - tetra-kvark (d.v.s. den första exotiska kandidaten utan någon av de mycket lätta (u, d) kvarkarna)."
Upptäckten av chi_c(4140) uppmuntrade fler forskarlag att söka strukturer som helt och hållet består av c- och d-kvarkar. Efter att existensen av detta system bekräftats började CMS också söka efter system som sönderfaller till par av J/psi-partiklar eller par av Upsilon-partiklar.
"J/psi är cc - bundet tillstånd, Upsilon a bb - tillstånd, och därför skulle något som sönderfaller in i dessa partikelpar vara en slående kandidat för en helt tung tetra-kvark," sa prof. Yi. "Med hjälp av data som samlades in 2011 och 2012 som en del av LHC Run I, fann CMS en ledtråd av två J/psi-J/psi-strukturer, men det fanns inte tillräckligt med data för att göra ett övertygande påstående vid den tiden."
Under 2019 återupptog CMS-samarbetet sitt sökande efter helt tunga kvarksystem som sönderfaller till par av J/psi- eller Upsilon-partiklar, denna gång med hjälp av data som samlats in vid CERN:s LHC mellan 2016 och 2018 (Körning II). Ändå observerades den första av dessa partiklar, kallad X(6900), till slut av en annan forskningsinsats vid CERN, nämligen LHCb-experimentet.
"LHCb-experimentet var det första som gick ut ur porten med deras rapport om X(6900) som sönderfaller till J/psi-J/psi 2020," sa prof. Yi. "Ändå fortsatte CMS sitt arbete, och vi belönades till slut genom att identifiera tre J/psi-J/psi-strukturer:bekräftande av X(6900) och rapporterade två nya, kallade X(6600) och X(7100)."
Som en del av denna senaste studie sökte CMS-teamet specifikt efter par av J/Psi-mesoner. Dessa partiklar är en kraftfull sond för helt tunga kvarksystem, eftersom de tydligt kan identifieras inom LHC-kollideren, där miljön är komplex och markerad av högintensiva p-p-kollisioner.
"För den här studien utformade analysteamet en sökstrategi i Run II baserad på Run I-information utan att faktiskt titta på data. Detta tillvägagångssätt, som kallas en "blind" analys, är mycket effektivt för att undvika potentiella fördomar, som att lura sig själv i till synes att hitta vad man tror att man ska, eller vill hitta, de tre strukturerna hoppade ut efter att de nya uppgifterna slutligen avblindades," förklarade Prof. Yi.
Genom att använda denna blindanalysstrategi kunde Prof. Yi och hans CMS-medarbetare bekräfta existensen av den struktur som tidigare upptäckts av LHCb-samarbetet, samtidigt som de avslöjade två helt nya strukturer. Dessa tre strukturer verkar vara en del av samma familj av helt tunga kvarksystem.
"Även om det kanske inte är den enda möjliga tolkningen, beskriver en modell där de tre strukturerna kvantmekaniskt interfererar med varandra CMS-data mycket väl," sa prof. Yi. "Detta kräver att alla tre har samma kvantegenskaper och antyder vidare att dessa tillstånd är en familj av exciterade tetraquarks."
De tre helt tunga kvarkstrukturerna som rapporterats av CMS-samarbetet ger viktiga nya ledtrådar om exotiska hadroners natur och interna struktur. Specifikt pekar de ut en ny regim som fysiker kan tillämpa teorin om starka interaktioner på:regimen för "kvantkromodynamik."
"CMS förbereder sig nu för att förbättra sina mätningar av egenskaperna hos dessa stater," tillade Prof. Yi. "De nya uppgifterna presenterar en ny spännande möjlighet, att söka efter möjliga exotiska tillstånd som är sammansatta rent av ännu tyngre bottenkvarkar."
Mer information: A. Hayrapetyan et al, New Structures in the J/ψJ/ψ Mass Spectrum in Proton-Proton Collisions at s=13 TeV, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.111901
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
© 2024 Science X Network
