LHCb-samarbetet, ett av de fyra stora experimenten som är verksamma vid CERNs Large Hadron Collider (LHC), har tagit ett viktigt steg mot att överbrygga denna lucka. Genom att kombinera data som samlats in under LHC:s första och andra operativa körningar, observerade teamet kvantkorrelationer mellan par av charm och anti-charm-hadroner som kommer från ett enda tetraquarktillstånd.
Partiklar som tetraquarks är inte elementarpartiklar, utan sammansatta tillstånd gjorda av flera mer grundläggande beståndsdelar, kallade kvarkar och gluoner. De senare håller kvarkar samman och förmedlar den starka kraften mellan dem. Tetraquarks förutsägs av teorin om starka interaktioner, Quantum Chromodynamik (QCD), och har sökts mycket efter i högenergipartikelfysikexperiment.
Denna senaste LHCb-analys avslöjar hur dessa exceptionella tetraquarktillstånd bildas och förfaller. Kvantkorrelationer mellan par av charm och anti-charm-hadroner ger information om var dessa partiklar produceras inuti LHCb-detektorn och ger insikt i produktionsdynamiken hos tetraquarks.
Forskargruppen undersökte alla möjliga kombinationer av par av charm (c) och anti-charm (c‾) hadroner. De flesta av paren, inklusive de som kommer från samma tetraquark-tillstånd, uppvisar en preferens för att produceras centralt i detektorn. Detta förväntas för de flesta av de hadroniska produktionsmekanismerna som inträffar vid högenergikollisioner. Emellertid observeras kvantkorrelationer för par av charm- och anti-charm-hadroner som härrör från samma tetraquarktillstånd. I detta fall indikerar korrelationerna att produktionspunkten är förskjuten mot den sida där laddade partiklar (protonens valenskvarkar) av de inkommande protonerna finns. Detta antyder en möjlig produktionsmekanism för tetraquarks där gluonet som emitteras från den inkommande protonen eller antiprotonen (kallad "pomeron") fluktuerar in i tetraquarktillståndet som därefter sönderfaller till haderonparet.
Denna LHCb-analys ger också insikt i hur tetraquarktillståndet därefter förfaller till paret charm- och anti-charm-hadroner. Observationerna indikerar att tetraquark-tillståndet omvandlas till par av charm- och anti-charm-kvarkar, som sedan omarrangeras för att bilda de sista hadronerna.
Resultaten av denna studie ger viktig information om produktionen och sönderfallet av det observerade tetraquarktillståndet och erbjuder kompletterande insikter till andra LHCb-mätningar av sådana partiklar. De kvanteffekter som observerades för första gången i detta arbete kan också i framtiden hjälpa till att skilja tetrakvarker från andra multi-kvarktillstånd.
LHCb-samarbetet ser fram emot att samla in mer data vid LHC i framtiden, vilket gör det möjligt för dem att ytterligare undersöka egenskaperna hos tetraquarks och andra exotiska partiklar.
