Hoeveel nieuwe deeltjes heeft de LHC ontdekt? De meest bekende ontdekking is natuurlijk die van het Higgs-deeltje. Minder bekend is het feit dat, de afgelopen 10 jaar, de LHC-experimenten hebben ook meer dan 50 nieuwe deeltjes gevonden, hadronen genaamd. Toevallig, het getal 50 komt twee keer voor in de context van hadronen, aangezien 2021 de 50e verjaardag van de hadronversnellers markeert:op 27 januari 1971, twee bundels protonen botsten voor het eerst in de Intersecting Storage Rings-versneller van CERN, waardoor het de eerste versneller in de geschiedenis is die botsingen veroorzaakte tussen twee tegengesteld draaiende bundels hadronen.

Dus wat zijn deze nieuwe hadronen, welk getal 59 in totaal? Laten we bij het begin beginnen:hadronen zijn geen elementaire deeltjes - natuurkundigen weten dat sinds 1964, toen Murray Gell-Mann en George Zweig onafhankelijk van elkaar het quarkmodel voorstelden. Dit model stelde hadronen vast als samengestelde deeltjes gemaakt van nieuwe soorten elementaire deeltjes, quarks genaamd. Maar, op dezelfde manier als onderzoekers meer dan 150 jaar nadat Dmitri Mendelejev het periodiek systeem heeft vastgesteld nog steeds nieuwe isotopen ontdekken, studies van mogelijke samengestelde toestanden gevormd door quarks zijn nog steeds een actief veld in de deeltjesfysica.

De reden hiervoor ligt in de kwantumchromodynamica, of QCD, de theorie die de sterke interactie beschrijft die quarks bij elkaar houdt in hadronen. Deze interactie heeft een aantal merkwaardige kenmerken, inclusief het feit dat de kracht van de interactie niet afneemt met de afstand, wat leidt tot een eigenschap genaamd kleurbeperking, die het bestaan ​​van vrije quarks buiten de hadronen verbiedt. Deze kenmerken maken deze theorie wiskundig erg uitdagend; in feite, kleurbeperking zelf is tot op heden niet analytisch bewezen. En we hebben nog steeds geen manier om precies te voorspellen welke combinaties van quarks hadronen kunnen vormen.

Wat weten we dan over hadronen? Terug in de jaren 60, er waren al meer dan 100 soorten hadronen bekend, die werden ontdekt in experimenten met versnellers en kosmische straling. Het quarkmodel stelde natuurkundigen in staat om de hele "dierentuin" te beschrijven als verschillende samengestelde toestanden van slechts drie verschillende quarks:omhoog, beneden en vreemd. Alle bekende hadronen kunnen worden beschreven als ofwel bestaande uit drie quarks (vormende baryonen) of als quark-antiquarkparen (vormende mesonen). Maar de theorie voorspelde ook andere mogelijke quarkarrangementen. Al in Gell-Manns originele artikel uit 1964 over quarks, het idee van deeltjes die meer dan drie quarks bevatten, leek een mogelijkheid. Tegenwoordig weten we dat zulke deeltjes bestaan, maar het duurde tientallen jaren om in experimenten de eerste vier-quark en vijf-quark hadronen te bevestigen, of tetraquarks en pentaquarks.

Een volledige lijst van de 59 nieuwe hadronen die bij de LHC zijn gevonden, wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding. Van deze deeltjes sommige zijn pentaquarks, sommige zijn tetraquarks en sommige zijn nieuwe hogere energie (opgewonden) toestanden van baryonen en mesonen. De ontdekking van deze nieuwe deeltjes, samen met metingen van hun eigenschappen, blijft belangrijke informatie verschaffen voor het testen van de limieten van het quarkmodel. Dit stelt onderzoekers op hun beurt in staat om hun begrip van de sterke interactie te vergroten, om theoretische voorspellingen te verifiëren en modellen af ​​te stemmen. Dit is vooral van belang voor het onderzoek gedaan bij de Large Hadron Collider, omdat de sterke interactie verantwoordelijk is voor de overgrote meerderheid van wat er gebeurt als hadronen botsen. Hoe beter we de sterke interactie kunnen begrijpen, hoe nauwkeuriger we deze botsingen kunnen modelleren en hoe groter de kans dat we kleine afwijkingen van de verwachtingen zien die zouden kunnen wijzen op mogelijke nieuwe natuurkundige fenomenen.

De hadron-ontdekkingen van de LHC-experimenten blijven komen, voornamelijk van LHCb, die bijzonder geschikt is voor het bestuderen van deeltjes die zware quarks bevatten. Het eerste hadron ontdekt bij de LHC, b(3P), werd ontdekt door ATLAS, en de meest recente omvatten een nieuwe opgewonden schoonheid vreemd baryon waargenomen door CMS en vier tetraquarks gedetecteerd door LHCb.