A forte interação é uma das forças fundamentais da natureza, que liga os quarks aos hádrons, como o próton e o nêutron, os blocos de construção dos átomos. De acordo com o modelo de quark, hadrons podem ser formados por dois ou três quarks, chamados mésons e bárions, respectivamente, e referidos coletivamente como hádrons convencionais. O modelo de quark também permite a existência dos chamados hádrons exóticos, composto por quatro (tetraquarks), cinco (pentaquarks) ou mais quarks. Um rico espectro de hádrons exóticos é esperado, assim como para os convencionais. Contudo, nenhum sinal inequívoco de hadrões exóticos foi observado até 2003, quando o estado X (3872) foi descoberto pelo experimento Belle. Nos anos seguintes, mais alguns estados exóticos foram descobertos. A explicação de suas propriedades requer a existência de quatro quarks constituintes. A identificação dos estados do pentaquark é ainda mais difícil, e os primeiros candidatos foram observados pelo experimento LHCb em 2015. Todos esses estados conhecidos contêm no máximo dois quarks pesados ​​- o quark de beleza ou charme.

Recentemente, estudando a distribuição de massa invariante de dois mesons J / ψ produzidos em colisões próton-próton em energias de centro de massa de até 13 TeV, a colaboração do LHCb observou duas estruturas. A estrutura mais estreita é descrita como um estado hadron de massa de cerca de 6900 MeV / c ² , denotado como X (6900). Como o mesão J / ψ contém um charme (c) e um quark anticharme (barra {c}), o novo estado sugere um conteúdo mínimo de quark de ccbar {c} bar {c}, tornando-o um candidato para estados tetraquark de quatro encantos. A outra estrutura, sendo amplo e próximo do dobro da massa de repouso J / ψ, pode ser devido a outro tetraquark de largura maior ou uma combinação de vários estados de tetraquark sobrepostos.

"É muito emocionante ver a primeira evidência experimental de um tetraquark de quatro encantos. A composição única do novo estado o torna um laboratório ideal para obter informações sobre a forte interação dentro dos hádrons, "diz o físico do LHCb que trabalha na seção INFN de Florença, Liupan An.

Embora a cromodinâmica quântica (QCD) seja a teoria comumente usada para descrever a interação forte, a compreensão da estrutura interna de um hadron ainda não é possível a partir dos cálculos do primeiro princípio. Modelos que aproximam QCD são introduzidos para explicar o mecanismo de ligação de quarks em hádrons. Na imagem molecular, um estado exótico é formado por dois hádrons convencionais fracamente ligados, como o deutério. A estrutura molecular é atualmente a interpretação preferida dos pentaquarks estreitos observados pelo LHCb e o estado X (3872).

Contudo, espera-se que estados hadrônicos feitos exclusivamente de quarks pesados ​​sejam fortemente limitados; por exemplo, um tetraquark de quatro encantos é geralmente considerado como formado por um cc-diquark e um antidiquark abar {c} bar {c} que se atraem. O modelo cc-diquark previu com sucesso a massa do bárion Ξcc ++ observada pelo LHCb em 2017. A dispersão de hádrons conhecidos por meio da interação forte também é possível para criar estruturas que se parecem com um estado de hádrons. A natureza dos estados de quatro encantos recentemente observados ainda está para ser determinada, embora uma interpretação compacta de tetraquark seja preferida.

"A observação do LHCb abre uma nova janela para estudos de espectroscopia de hadron multiquark. Mais estudos de físicos experimentais e teóricos proporcionarão a oportunidade de compreender a natureza do estado de quatro encantos, "diz Yanxi Zhang, trabalhando no experimento LHCb na Universidade de Pequim.

"Se a interpretação de quatro quarks pesados ​​estiver correta, espera-se que um espectro completo desses estados fortemente limitados seja descoberto a partir dos dados que o LHCb será capaz de coletar em um futuro próximo. Medidas das massas e larguras desses estados, que pode ser previsto em QCD com precisão relativamente alta, irá fornecer um teste de sondagem de nossa compreensão das interações fundamentais entre os hádrons, "acrescenta Giacomo Graziani da INFN Florença.

LHCb é um dos quatro grandes experimentos localizados no acelerador de partículas mais poderoso do mundo, o Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN. O experimento LHCb é dedicado a medições de precisão de partículas contendo quarks charme ou beleza, com o objetivo de explorar o quebra-cabeça da assimetria matéria-antimatéria, procurando por evidências indiretas de nova física, e sondando a interação forte. A colaboração consiste em mais de 1400 físicos e engenheiros de todo o mundo.

"Este é um passo importante na exploração da estrutura interna e dinâmica dos hádrons." disse o Prof. Yuanning Gao, líder do grupo chinês LHCb, "O experimento LHCb demonstrou mais uma vez sua capacidade em espectroscopia de sabor pesado, e continuará contribuindo para a compreensão da forte interação. "

A forte interação continua nos surpreendendo com novas estruturas e novos fenômenos após várias décadas de busca e com certeza irá fazê-lo novamente no futuro.