La collaborazione con LHCb ha individuato una nuova particella. La sua massa e altre proprietà lo collocano esattamente nella famiglia del charmonium che include la più nota particella J/ψ, che fu la prima particella contenente un "quark charm" ad essere scoperta e fece vincere ai suoi scopritori un premio Nobel per la fisica. Studi futuri sulle proprietà di questo nuovo stato di charmonium e dei suoi parenti aiuteranno i fisici a comprendere meglio la forza forte che lega insieme i quark, tra le particelle più piccole che conosciamo.

Le particelle di charmonium sono particelle a due quark (chiamate mesoni) composte da un quark charm e dalla sua controparte di antimateria, il fascino antiquark. I quark charm sono il terzo più massiccio dei sei tipi di quark. Proprio come gli atomi, i mesoni possono essere osservati in stati eccitati di energia superiore, in cui i quark costituenti i mesoni si muovono l'uno intorno all'altro in diverse configurazioni. Queste diverse disposizioni danno origine a una gamma di particelle con diverse masse e proprietà quantistiche come spin, che può essere pensato come la rotazione di un sistema attorno al proprio asse.

L'osservazione di tali stati eccitati e la misurazione delle loro proprietà fornisce un modo per testare modelli di cromodinamica quantistica (QCD), la teoria che descrive come i quark sono attaccati insieme in particelle composite. Cosa c'è di più, la conoscenza della collezione completa di questi stati aiuta a identificare gli stati esotici con più di tre quark, come i tetraquark, che sono anche previsti dalla QCD ma sono stati scoperti solo di recente. Se si considerano tutti gli stati eccitati, i fisici possono essere più sicuri che quelli rimanenti siano esotici.

Per catturare la nuova particella di charmonium, la collaborazione LHCb, uno dei quattro esperimenti principali al Large Hadron Collider, ha studiato i decadimenti degli stati di charmonium prodotti nelle collisioni protone-protone in coppie di mesoni D, utilizzando i dati registrati tra il 2011 e il 2018; I mesoni D sono le particelle più leggere contenenti quark charm. La collaborazione ha misurato l'intervallo di masse delle coppie di mesoni D e quindi ha sommato quante volte hanno registrato ciascun valore di massa all'interno dell'intervallo misurato. Hanno quindi cercato un eccesso di eventi, o urtare, in questa distribuzione di massa, e ho trovato un nuovo, picco stretto ad una massa che corrisponde a uno stato di charmonium precedentemente inosservato chiamato ψ3(1D). La particella ha un valore di spin di 3, rendendo questa la prima osservazione di uno stato di charmonium con spin 3. L'alto valore di spin potrebbe spiegare l'ampiezza ridotta del picco e il fatto che ci sia voluto così tanto tempo per trovarlo.