O experimento LHCb no CERN desenvolveu uma tendência para encontrar combinações exóticas de quarks, as partículas elementares que se juntam para nos dar partículas compostas, como os mais familiares prótons e nêutrons. Em particular, LHCb observou vários tetraquarks, que, como o nome sugere, são feitos de quatro quarks (ou melhor, dois quarks e dois antiquarks). Observar essas partículas incomuns ajuda os cientistas a avançar nosso conhecimento sobre a força forte, uma das quatro forças fundamentais conhecidas no universo. Em um seminário do CERN realizado virtualmente em 12 de agosto, O LHCb anunciou os primeiros sinais de um tipo inteiramente novo de tetraquark com uma massa de 2,9 GeV / c²:a primeira dessas partículas com apenas um quark charme.

Previsto para existir pela primeira vez em 1964, os cientistas observaram seis tipos de quarks (e suas contrapartes antiquark) no laboratório:up, baixa, charme, estranho, cabeçalho e rodapé. Uma vez que quarks não podem existir livremente, eles se agrupam para formar partículas compostas:três quarks ou três antiquarks formam "bárions" como o próton, enquanto um quark e um antiquark formam "mesons".

O detector LHCb no Large Hadron Collider (LHC) é dedicado ao estudo de mésons B, que contém um fundo ou um antibottom. Pouco depois de ser produzido em colisões próton-próton no LHC, esses mésons pesados ​​se transformam - ou "decaem" - em uma variedade de partículas mais leves, que podem sofrer transformações adicionais. Os cientistas do LHCb observaram sinais do novo tetraquark em uma dessas decadências, em que o meson B carregado positivamente se transforma em um meson D positivo, um mesão D negativo e um kaão positivo:B ⁺ → D ⁺ D ^- K ⁺ . No total, eles estudaram cerca de 1300 candidatos para essa transformação específica em todos os dados que o detector LHCb registrou até agora.

O modelo de quark bem estabelecido prevê que alguns dos D ⁺ D ^- pares nesta transformação podem ser o resultado de partículas intermediárias - como o méson ψ (3770) - que se manifestam apenas momentaneamente:B ⁺ → ψ (3770) K ⁺ → D ⁺ D ^- K ⁺ . Contudo, a teoria não prevê intermediários semelhantes ao méson, resultando em um D ^- K ⁺ par. LHCb ficou, portanto, surpreso ao ver uma banda clara em seus dados correspondendo a um estado intermediário que se transforma em um D ^- K ⁺ par com uma massa de cerca de 2,9 GeV / c², ou cerca de três vezes a massa de um próton.

Os dados foram interpretados como o primeiro sinal de um novo estado exótico de quatro quarks:um anticharme, um up, uma penugem e uma antiestrange (c̄uds̄). Todos os estados anteriores semelhantes a tetraquark observados pelo LHCb sempre tiveram um par charme-anticharma, resultando em "sabor charme" líquido zero. O estado recém-observado é a primeira vez que um tetraquark contendo um único feitiço foi visto, que foi apelidado de um tetraquark de "charme aberto".

"Quando vimos o excesso em nossos dados pela primeira vez, pensamos que havia um erro, "diz Dan Johnson, que liderou a análise do LHCb. "Depois de anos analisando os dados, aceitamos que realmente há algo surpreendente! "

Por que isso é importante? Acontece que o júri ainda não decidiu o que é realmente um tetraquark. Alguns modelos teóricos favorecem a noção de que tetraquarks são pares de mésons distintos ligados temporariamente como uma "molécula, "enquanto outros modelos preferem pensar neles como uma única unidade coesa de quatro partículas. Identificar novos tipos de tetraquarks e medir suas propriedades - como seu spin quântico (sua orientação espacial intrínseca) e sua paridade (como eles aparecem sob um espelho- como transformação) - ajudará a pintar um quadro mais claro desses habitantes exóticos do domínio subatômico. Johnson acrescenta:"Esta descoberta também nos permitirá testar nossas teorias em um domínio inteiramente novo."

Embora a observação do LHCb seja um primeiro passo importante, mais dados serão necessários para verificar a natureza da estrutura observada no B ⁺ decair. A colaboração do LHCb também irá antecipar a verificação independente de sua descoberta de outros experimentos de física B dedicados, como Belle II. Enquanto isso, o LHC continua a fornecer resultados novos e empolgantes para experimentalistas e teóricos investigarem.