L'esperimento LHCb al CERN ha sviluppato una propensione a trovare combinazioni esotiche di quark, le particelle elementari che si uniscono per darci particelle composite come il protone e il neutrone più familiari. In particolare, LHCb ha osservato diversi tetraquark, quale, Come suggerisce il nome, sono costituiti da quattro quark (o meglio due quark e due antiquark). L'osservazione di queste particelle insolite aiuta gli scienziati a far progredire la nostra conoscenza della forza forte, una delle quattro forze fondamentali conosciute nell'universo. In un seminario del CERN tenutosi virtualmente il 12 agosto, LHCb ha annunciato i primi segni di un tipo completamente nuovo di tetraquark con una massa di 2,9 GeV/c²:la prima particella del genere con un solo quark charm.

Previsto per la prima volta nel 1964, gli scienziati hanno osservato sei tipi di quark (e le loro controparti antiquark) in laboratorio:up, fuori uso, fascino, strano, sopra e sotto. Poiché i quark non possono esistere liberamente, si raggruppano per formare particelle composite:tre quark o tre antiquark formano "barioni" come il protone, mentre un quark e un antiquark formano "mesoni".

Il rivelatore LHCb al Large Hadron Collider (LHC) è dedicato allo studio dei mesoni B, che contengono un fondo o un antifondo. Poco dopo essere stato prodotto in collisioni protone-protone all'LHC, questi mesoni pesanti si trasformano - o "decadono" - in una varietà di particelle più leggere, che possono subire essi stessi ulteriori trasformazioni. Gli scienziati di LHCb hanno osservato i segni del nuovo tetraquark in uno di questi decadimenti, in cui il mesone B caricato positivamente si trasforma in un mesone D positivo, un mesone D negativo e un kaone positivo:B ⁺ →D ⁺ D ⁻ K ⁺ . In totale, hanno studiato circa 1300 candidati per questa particolare trasformazione in tutti i dati che il rivelatore LHCb ha registrato finora.

Il consolidato modello a quark prevede che alcuni dei D ⁺ D ⁻ le coppie in questa trasformazione potrebbero essere il risultato di particelle intermedie, come il mesone ψ(3770), che si manifestano solo momentaneamente:B ⁺ →ψ(3770)K ⁺ →D ⁺ D ⁻ K ⁺ . Però, la teoria non predice intermediari simili al mesone con conseguente D ⁻ K ⁺ coppia. LHCb è stato quindi sorpreso di vedere una banda chiara nei loro dati corrispondente a uno stato intermedio che si trasforma in un D ⁻ K ⁺ coppia con una massa di circa 2,9 GeV/c², o circa tre volte la massa di un protone.

I dati sono stati interpretati come il primo segno di un nuovo stato esotico di quattro quark:un anticharm, un su, un piumino e un antistrano (c̄uds̄). Tutti i precedenti stati simili a tetraquark osservati da LHCb avevano sempre una coppia fascino-antifascino, con conseguente "sapore di fascino" pari a zero. Lo stato appena osservato è la prima volta che viene visto un tetraquark contenente un solo incantesimo, che è stato soprannominato un tetraquark "open-charm".

"Quando abbiamo visto per la prima volta l'eccesso nei nostri dati, abbiamo pensato che ci fosse un errore, "dice Dan Johnson, che ha condotto l'analisi LHCb. "Dopo anni di analisi dei dati, abbiamo accettato che c'è davvero qualcosa di sorprendente!"

Perché questo è importante? Accade così che la giuria sia ancora fuori da cosa sia veramente un tetraquark. Alcuni modelli teorici favoriscono l'idea che i tetraquark siano coppie di mesoni distinti legati insieme temporaneamente come una "molecola, " mentre altri modelli preferiscono pensarli come una singola unità coesiva di quattro particelle. Identificare nuovi tipi di tetraquark e misurare le loro proprietà, come il loro spin quantistico (il loro orientamento spaziale intrinseco) e la loro parità (come appaiono sotto uno specchio). come la trasformazione) - aiuterà a dipingere un quadro più chiaro di questi abitanti esotici del dominio subatomico. Johnson aggiunge:"Questa scoperta ci consentirà anche di testare le nostre teorie in un dominio completamente nuovo".

Mentre l'osservazione di LHCb è un primo passo importante, saranno necessari ulteriori dati per verificare la natura della struttura osservata nel B ⁺ decadimento. La collaborazione con LHCb anticiperà anche la verifica indipendente della loro scoperta da altri esperimenti di fisica B dedicati come Belle II. Nel frattempo, l'LHC continua a fornire risultati nuovi ed entusiasmanti per sperimentali e teorici in egual modo.