De LHCb-samenwerking bij CERN heeft de ontdekking aangekondigd van een nieuw exotisch deeltje:een zogenaamde "tetraquark". Het artikel van meer dan 800 auteurs moet nog worden geëvalueerd door andere wetenschappers in een proces dat "peer review" wordt genoemd. maar is gepresenteerd op een seminar. Het voldoet ook aan de gebruikelijke statistische drempel voor het claimen van de ontdekking van een nieuw deeltje.

De vondst markeert een grote doorbraak in een zoektocht van bijna 20 jaar, uitgevoerd in laboratoria voor deeltjesfysica over de hele wereld.

Om te begrijpen wat een tetraquark is en waarom de ontdekking belangrijk is, we moeten terug in de tijd naar 1964, toen de deeltjesfysica zich midden in een revolutie bevond. Beatlemania was net ontploft, de oorlog in Vietnam woedde en twee jonge radioastronomen in New Jersey hadden zojuist het sterkste bewijs voor de oerknaltheorie ontdekt.

Aan de andere kant van de VS, aan het California Institute of Technology, en aan de andere kant van de Atlantische Oceaan, bij CERN in Zwitserland, twee deeltjesfysici publiceerden twee onafhankelijke artikelen over hetzelfde onderwerp. Beiden gingen over het begrijpen van het enorme aantal nieuwe deeltjes dat de afgelopen twee decennia was ontdekt.

Veel natuurkundigen hadden moeite om te accepteren dat er zoveel elementaire deeltjes in het universum zouden kunnen bestaan, in wat bekend was geworden als de "deeltjeszoo". George Zweig van Caltech en Murray Gell-Mann van CERN hadden dezelfde oplossing gevonden. Wat als al deze verschillende deeltjes echt van kleinere, onbekende bouwstenen, op dezelfde manier dat de honderdtal elementen in het periodiek systeem zijn gemaakt van protonen, neutronen en elektronen? Zweig noemde deze bouwstenen "azen", terwijl Gell-Mann de term koos die we vandaag de dag nog steeds gebruiken:"quarks".

We weten nu dat er zes verschillende soorten quarks zijn:omhoog, omlaag, charme, vreemd, bovenkant, onderkant. Deze deeltjes hebben ook respectieve antimaterie-metgezellen met tegengestelde lading, die samen kunnen binden volgens eenvoudige regels op basis van symmetrieën. Een deeltje gemaakt van een quark en een antiquark wordt een "meson" genoemd; terwijl drie aan elkaar gebonden quarks "baryonen" vormen. De bekende protonen en neutronen waaruit de atoomkern bestaat, zijn voorbeelden van baryonen.

Dit classificatieschema beschreef prachtig de deeltjeszoo van de jaren zestig. Echter, zelfs in zijn originele papier, Gell-Mann realiseerde zich dat andere combinaties van quarks mogelijk zouden kunnen zijn. Bijvoorbeeld, twee quarks en twee antiquarks kunnen aan elkaar plakken om een ​​"tetraquark" te vormen, terwijl vier quarks en een antiquark een "pentaquark" zouden vormen.

Exotische deeltjes

Snel vooruit naar 2003, toen het Belle-experiment in het KEK-laboratorium in Japan de waarneming van een nieuw meson rapporteerde, genaamd X(3872), die "exotische" eigenschappen vertoonden die heel anders waren dan gewone mesonen.

In de komende jaren, verschillende nieuwe exotische deeltjes werden ontdekt, en natuurkundigen begonnen te beseffen dat de meeste van deze deeltjes alleen met succes konden worden verklaard als het tetraquarks waren die uit vier quarks waren gemaakt in plaats van uit twee. Vervolgens, in 2015, het LHCb-experiment bij CERN ontdekte de eerste pentaquarkdeeltjes gemaakt van vijf quarks.

Alle tetraquarks en pentaquarks die tot nu toe zijn ontdekt, bevatten twee charm-quarks, die relatief zwaar zijn, en twee of drie lichte quarks - omhoog, naar beneden of vreemd. Deze specifieke configuratie is inderdaad het gemakkelijkst te ontdekken in experimenten.

Maar de nieuwste tetraquark ontdekt door LHCb, die de naam X (6900) heeft gekregen, bestaat uit vier charm-quarks. Geproduceerd in hoogenergetische protonbotsingen bij de Large Hadron Collider, de nieuwe tetraquark werd waargenomen via zijn verval in paren van bekende deeltjes, J/psi-mesonen genaamd, elk gemaakt van een charm-quark en een charm-antiquark. Dit maakt het bijzonder interessant omdat het niet alleen volledig is samengesteld uit zware quarks, maar ook vier quarks van dezelfde soort - waardoor het een uniek exemplaar is om ons begrip van hoe quarks aan elkaar binden te testen.

Voor nu, er zijn twee verschillende modellen die kunnen verklaren hoe quarks aan elkaar binden:het kan zijn dat ze sterk gebonden zijn, creëren wat we een compacte tetraquark noemen. Of het kan zijn dat de quarks zijn gerangschikt om twee mesonen te vormen, die losjes in een "molecuul" aan elkaar zijn geplakt.

Gewone moleculen zijn gemaakt van atomen die aan elkaar zijn gebonden door de elektromagnetische kracht, die werkt tussen positief geladen kernen en negatief geladen elektronen. Maar de quarks in een meson of baryon zijn verbonden via een andere kracht, de "sterke kracht". Het is echt fascinerend dat atomen en quarks, volgens heel andere regels, kunnen beide zeer vergelijkbare complexe objecten vormen.

Het nieuwe deeltje lijkt het meest consistent te zijn met een compact tetraquark in plaats van een twee-meson molecuul, wat de beste verklaring was voor eerdere ontdekkingen. Dit maakt het ongebruikelijk, omdat het natuurkundigen in staat zal stellen dit nieuwe bindingsmechanisme in detail te bestuderen. Het impliceert ook het bestaan ​​van andere zware compacte tetraquarks.

Venster in de microkosmos

De sterke kracht die tussen quarks werkt, gehoorzaamt aan zeer gecompliceerde regels - zo gecompliceerd, in feite, dat meestal de enige manier om de effecten te berekenen het gebruik van benaderingen en supercomputers is.

Het unieke karakter van de X(6900) zal helpen begrijpen hoe de nauwkeurigheid van deze benaderingen kan worden verbeterd, zodat we in de toekomst andere, complexere mechanismen in de natuurkunde die vandaag niet binnen ons bereik liggen.

Sinds de ontdekking van de X (3872), de studie van exotische deeltjes bloeide, met honderden theoretische en experimentele natuurkundigen die samenwerken om enig licht te werpen op dit opwindende nieuwe veld. De ontdekking van de nieuwe tetraquark is een enorme sprong voorwaarts, en is een indicatie dat er nog steeds veel nieuwe exotische deeltjes zijn, wachten tot iemand ze onthult.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.