A colaboração do LHCb detectou uma nova partícula. Sua massa e outras propriedades o colocam diretamente na família do charmonium, que inclui a partícula J / ψ mais conhecida, que foi a primeira partícula contendo um "quark charme" a ser descoberta e ganhou seus descobridores um prêmio Nobel de física. Estudos futuros das propriedades deste novo estado de charmonium e seus parentes ajudarão os físicos a entender melhor a forte força que une os quarks, entre as menores partículas que conhecemos.

As partículas de carônio são duas partículas de quark (chamadas mésons) compostas por um quark charme e sua contraparte de antimatéria, o charme antiquark. Quarks de charme são o terceiro tipo de quark mais massivo. Assim como átomos, mésons podem ser observados em estados excitados de alta energia, em que os quarks constituintes dos mésons se movem em diferentes configurações. Esses diferentes arranjos dão origem a uma gama de partículas com diferentes massas e propriedades quânticas, como spin, que pode ser pensado como a rotação de um sistema em torno de seu eixo.

Observar esses estados excitados e medir suas propriedades fornece uma maneira de testar modelos de cromodinâmica quântica (QCD), a teoria que descreve como os quarks são grudados em partículas compostas. O que mais, o conhecimento da coleção completa desses estados ajuda a identificar estados exóticos com mais de três quarks, como tetraquarks, que também são previstos pela QCD, mas só recentemente foram descobertos. Se todos os estados excitados forem contabilizados, os físicos podem ter mais certeza de que os restantes são exóticos.

Para pegar a nova partícula de charmonium, a colaboração LHCb, um dos quatro experimentos principais no Large Hadron Collider, estudaram os decaimentos dos estados de charmonium produzidos em colisões próton-próton em pares de mesons D, usando dados registrados entre 2011 e 2018; Mésons D são as partículas mais leves que contêm quarks charme. A colaboração mediu a faixa de massas dos pares de mesões D e, em seguida, somou quantas vezes eles registraram cada valor de massa dentro da faixa medida. Eles então procuraram por um excesso de eventos, ou colisão, nesta distribuição em massa, e encontrou um novo, pico estreito em uma massa que corresponde a um estado de charmonium previamente não observado apelidado de ψ3 (1D). A partícula tem um valor de spin de 3, tornando esta a primeira observação de um estado de charmonium spin-3. O alto valor de rotação pode ser responsável pela largura estreita do pico e pelo fato de ter demorado muito para ser encontrado.