No mundo governado pelos fenómenos quânticos, não existem fronteiras nítidas:as partículas quânticas podem “vazar” para fora da região a que aparentemente estão confinadas. Este efeito de tunelamento quântico já foi observado em muitas experiências, mas ainda não para partículas compostas por mais de dois quarks. Tais partículas, chamadas tetraquarks, são extremamente raras e de vida curta, por isso este tipo de observação é muito desafiador.

A colaboração LHCb, uma das quatro grandes experiências que operam no Large Hadron Collider (LHC) do CERN, deu um passo importante no sentido de colmatar esta lacuna. Combinando os dados recolhidos durante a primeira e segunda execuções operacionais do LHC, a equipa observou correlações quânticas entre pares de hádrons charmosos e anti-charme originários de um único estado tetraquark.

Partículas como os tetraquarks não são partículas elementares, mas estados compostos feitos de vários constituintes mais fundamentais, chamados quarks e glúons. Estes últimos mantêm os quarks unidos, mediando a força forte entre eles. Os tetraquarks são previstos pela teoria das interações fortes, Cromodinâmica Quântica (QCD), e têm sido extensivamente pesquisados ​​em experimentos de física de partículas de alta energia.

Esta última análise do LHCb revela como estes estados excepcionais de tetraquark são formados e decaem. Correlações quânticas entre pares de hádrons charmosos e anti-charme fornecem informações sobre onde essas partículas são produzidas dentro do detector LHCb e oferecem informações sobre a dinâmica de produção de tetraquarks.

A equipe de pesquisa investigou todas as combinações possíveis de pares de hádrons encanto (c) e anti-encanto (c‾). A maioria dos pares, incluindo aqueles originados do mesmo estado tetraquark, mostram preferência por serem produzidos centralmente no detector. Isto é esperado para a maioria dos mecanismos de produção hadrônicos que ocorrem em colisões de alta energia. No entanto, correlações quânticas são observadas para pares de hádrons charme e anti-charme decorrentes do mesmo estado tetraquark. Neste caso, as correlações indicam que o ponto de produção é deslocado para o lado onde estão localizadas as partículas carregadas (os quarks de valência do próton) dos prótons que chegam. Isto sugere um possível mecanismo de produção de tetraquarks no qual o glúon emitido pelo próton ou antipróton que chega (referido como “pomeron”) flutua para o estado de tetraquark que subsequentemente decai no par de hádrons.

Esta análise LHCb também fornece informações sobre como o estado tetraquark subsequentemente decai no par de hádrons charme e anti-charme. As observações indicam que o estado tetraquark se converte em pares de quarks charm e anti-charm, que então se reorganizam para formar os hádrons finais.

Os resultados deste estudo fornecem informações importantes sobre a produção e decaimento do estado tetraquark observado e oferecem insights complementares a outras medições LHCb de tais partículas. Os efeitos quânticos observados pela primeira vez neste trabalho também poderão ajudar no futuro a distinguir tetraquarks de outros estados multi-quark.

A colaboração LHCb espera recolher mais dados no LHC no futuro, o que lhes permitirá investigar mais profundamente as propriedades dos tetraquarks e outras partículas exóticas.