Het gaat om een deeltje met 4 zware quarks: een klasse van deeltjes die nog nooit eerder door natuurkundigen is gezien.

Onderzoeker hebben met behulp van de Large Hadron Collider – de grootste en krachtigste deeltjesversneller ter wereld – een nieuw deeltje opgespoord. Het gaat om een deeltje met vier quarks. “Het bijzondere is dat dit de eerste keer is dat we een deeltje zien met vier zware quarks!” zegt onderzoeker Niels Tuning tegen Scientias.nl. Een prachtige prestatie die hopelijk leidt tot een beter begrip over hoe deeltjes precies in elkaar steken.

Quarks zijn piepkleine, elementaire deeltjes die de fundamentele bouwstenen vormen van alle materie. Er zijn drie paren quarks die met de Engelse namen up en down, charm en strange en top en bottom worden aangeduid. Wanneer quarks groepen vormen – zogenaamde hadronen – ontstaan er grotere deeltjes, zoals protonen en neutronen.

“In de jaren zestig werd er een hele ‘dierentuin’ aan nieuwe deeltjes ontdekt,” vertelt Tuning. “De natuurkundigen Muray Gell-Mann en George Zweig stelden toen voor dat deze deeltjes zijn opgebouwd uit slechts een handvol verschillende soorten quarks. Deze deeltjes bestaan of uit twee quarks (een quark en een anti-quark om precies te zijn), of uit drie quarks.” Quarks bundelen normaal gesproken dus samen in groepen van twee of drie. Tientallen jaren geleden voorspelden theoretici echter het bestaan van vier- en vijfquark hadronen, die ook wel tetraquarks worden genoemd. “Ook Gell-Mann en Zweig voorspelden destijds dat deeltjes in principe uit vier, vijf, zes, of meer quarks zouden kunnen worden opgebouwd,” gaat Tuning verder. “Toch duurde het nog tot 2003 voordat een deeltje bestaande uit vier quarks tijdens het Japanse Belle experiment werd aangetoond. Pas in 2015 werd er met de Large Hadron Collider voor het eerst een deeltje met vijf quarks gevonden.”


Ontdekking
Deeltjes die uit vier quarks bestaan zijn dus al vrij exotisch. Maar de huidige ontdekking doet daar nog een schepje bovenop. Onderzoekers hebben namelijk voor het eerst een deeltje ontdekt dat bestaat uit vier zware quarks van hetzelfde type, namelijk twee charm quarks en twee charm-antiquarks. En dat is heel bijzonder; zo’n deeltje is nog nooit eerder gezien. Tot nu toe hadden experimenten namelijk alleen tetraquarks aan het licht gebracht met maximaal twee zware quarks en geen enkele met meer dan twee quarks van hetzelfde type. “Deze nieuwe tetraquark vervalt naar twee zogenoemde “J/psi” deeltjes,” legt Tuning verder uit. “Dit deeltje bestaat uit 2 charm quarks, en is in 1974 door twee onafhankelijke groepen ontdekt, vandaar de wat obscure naam.”

Illustratie van de nieuw ontdekte tetraquark bestaande uit twee charm-quarks en twee charm-antiquarks. Afbeelding: CERN

De onderzoekers vonden het exotische deeltje met behulp van speciale ‘jachttechniek’. Hierbij zoekt het team naar verschillende botsingen die vervolgens grondig worden uitgeplozen. “Praktisch alle deeltjes die wij onderzoeken zijn zeer onstabiel en vervallen ogenblikkelijk na de productie ervan,” legt Tuning desgevraagd uit. “In de detector meten we dus alleen het vervalproduct. Door de energie van het vervalproduct te combineren, kunnen we zien wat er precies in een betreffende botsing gebeurt. Aangezien energie behouden blijft, is de energie ook behouden in het verval. Het betekent dat we de massa die het oorspronkelijke deeltje had, terugzien in de combinatie van het vervalproduct. Dit vormt een piek in de verdeling van de botsingen. Omgekeerd, als er geen deeltje zou zijn gevormd in de botsing, dan zouden we een gewone vlakke verdeling zien van twee J/psi deeltjes, omdat die ook los van elkaar in een botsing kunnen worden geproduceerd.”

Tetraquark
Net als bij eerdere ontdekkingen van tetraquarks, is het op dit moment nog niet helemaal duidelijk of het nieuwe deeltje ook echt een ‘tetraquark’ is. “De grote vraag is of dit deeltje echt uit vier aan elkaar gebonden quarks bestaat, of dat het eigenlijk een soort molecuul is van twee normale deeltjes van elk twee quarks,” zegt Tuning. “Dit is een actief onderzoeksgebied, waarin we meer proberen te begrijpen over hoe de sterke wisselwerking quarks bij elkaar houdt in de materie om ons heen.”


Combinaties
Desondanks kan de baanbrekende ontdekking van het nieuwe deeltje wetenschappers helpen de complexe manieren te begrijpen waarop quarks zich aan elkaar binden. “We hopen dat dit nieuwe deeltje ons meer vertelt over hoe deeltjes precies in elkaar steken,” zegt Tuning. Deze deeltjes gemaakt van ongebruikelijke combinaties van quarks zijn een ideaal ‘laboratorium’ voor het bestuderen van een van de vier bekende fundamentele natuurkrachten; de sterke interactie die protonen, neutronen en de atoomkernen binden en waaruit materie bestaat. “De massa van dit deeltje is net iets meer dan de twee J/psi deeltjes afzonderlijk, dus de extra bindingsenergie is niet erg groot,” licht Tuning verder toe. “Dat is al een eerste hint. Uiteindelijk is het zo dat de massa van het proton en neutron bijna volledig door de bindingsenergie van de quarks wordt bepaald. Kort door de bocht zou je dus kunnen zeggen dat dit onderzoek de bindingsenergie van quarks en dus de massa in het heelal probeert te begrijpen.”

Standaardmodel
Verbeterde kennis over de sterke interactie is daarnaast ook essentieel om te bepalen of nieuwe, onverwachte processen een teken zijn van nieuwe fysica. Op dit moment verandert de nieuwe ontdekking echter nog niets aan het standaardmodel. Het standaardmodel van deeltjesfysica is een theorie die de krachten en deeltjes die alle materie vormen, beschrijft. Volgens dit standaardmodel zijn er zes verschillende quarks en zes leptonen die zijn gegroepeerd in drie zogenoemde ‘families’. De materie om ons heen en wijzelf bestaan uiteindelijk uit slechts drie deeltjes uit de eerste familie. Tot nu toe is het al lang bestaande standaardmodel ongewijzigd gebleven. En dat zal nog wel even zo blijven. “Het standaardmodel doet vooral uitspraken over de echt elementaire deeltjes, zoals de quarks zelf,” aldus Tuning. “Daarnaast beschrijft het ook de sterke interactie tussen quarks. Ons onderzoek zal het begrip vergroten, maar het standaardmodel zal hiermee niet ontkracht worden.”

De ontdekking van het nieuwe, exotische deeltje is hoe dan ook bijzonder. “Het is toch opmerkelijk dat na 56 jaar het quarkmodel nog steeds verrassingen oplevert,” zegt Tuning. “Blijkbaar houden 4 charm quarks ervan om na de botsing nog heel eventjes aan elkaar te blijven plakken.” Bovendien is de ontdekking de eerste van een voorheen onontdekte klasse van deeltjes. De onderzoekers hopen in de toekomst meer deeltjes uit dezelfde klasse te ontdekken. De vondst opent dan ook een nieuw en spannend hoofdstuk in het wetenschappelijke deeltjesboek waardoor we de bestaande theorie over materiedeeltjes in een extreem systeem kunnen bestuderen.