De internationale LHCb-samenwerking bij de Large Hadron Collider (LHC) heeft drie nooit eerder vertoonde deeltjes waargenomen:een nieuw soort pentaquark en het allereerste paar tetraquarks, waaronder een nieuw type tetraquark. De bevindingen, vandaag gepresenteerd op een CERN-seminar, voegen drie nieuwe exotische leden toe aan de groeiende lijst van nieuwe hadronen die bij de LHC zijn gevonden. Ze zullen natuurkundigen helpen beter te begrijpen hoe quarks aan elkaar binden tot deze composietdeeltjes.

Quarks zijn elementaire deeltjes en zijn er in zes smaken:omhoog, omlaag, charme, vreemd, boven en onder. Ze combineren meestal samen in groepen van tweeën en drieën om hadronen te vormen, zoals de protonen en neutronen waaruit atoomkernen bestaan. Meer zelden kunnen ze echter ook combineren tot vier-quark- en vijf-quarkdeeltjes, of 'tetraquarks' en 'pentaquarks'. Deze exotische hadronen werden door theoretici op hetzelfde moment voorspeld als conventionele hadronen, ongeveer zes decennia geleden, maar pas relatief recent, in de afgelopen 20 jaar, zijn ze waargenomen door LHCb en andere experimenten.

De meeste exotische hadronen die in de afgelopen twee decennia zijn ontdekt, zijn tetraquarks of pentaquarks die een charm-quark en een charm-antiquark bevatten, terwijl de overige twee of drie quarks een up-, down- of vreemde-quark zijn of hun antiquarks. Maar de afgelopen twee jaar heeft LHCb verschillende soorten exotische hadronen ontdekt. Twee jaar geleden ontdekte de samenwerking een tetraquark bestaande uit twee charm-quarks en twee charm-antiquarks, en twee "open-charm" tetraquarks bestaande uit een charm-antiquark, een up-quark, een down-quark en een vreemde antiquark. En vorig jaar vond het de allereerste instantie van een "dubbele open-charm" tetraquark met twee charm-quarks en een up- en een down-antiquark. Open charme betekent dat het deeltje een charm-quark bevat zonder een equivalente antiquark.

De ontdekkingen die de LHCb-samenwerking vandaag heeft aangekondigd, omvatten nieuwe soorten exotische hadronen. De eerste soort, waargenomen in een analyse van "verval" van negatief geladen B-mesonen, is een pentaquark die bestaat uit een charm-quark en een charm-antiquark en een up, een down en een vreemde quark. Het is de eerste pentaquark die een vreemde quark bevat. De bevinding heeft maar liefst 15 standaarddeviaties, ver boven de 5 standaarddeviaties die nodig zijn om de waarneming van een deeltje in de deeltjesfysica te claimen.

De tweede soort is een dubbel elektrisch geladen tetraquark. Het is een open-charm tetraquark, samengesteld uit een charm-quark, een vreemde antiquark, en een up-quark en een down-antiquark, en werd samen met zijn neutrale tegenhanger gevonden in een gezamenlijke analyse van het verval van positief geladen en neutrale B-mesonen. De nieuwe tetraquarks, waargenomen met een statistische significantie van 6,5 (dubbel geladen deeltje) en 8 (neutrale deeltje) standaarddeviaties, vertegenwoordigen de eerste keer dat een paar tetraquarks is waargenomen.

"Hoe meer analyses we uitvoeren, hoe meer soorten exotische hadronen we vinden", zegt LHCb-natuurkundig coördinator Niels Tuning. "We zijn getuige van een periode van ontdekking vergelijkbaar met de jaren vijftig, toen een 'deeltjesdierentuin' van hadronen werd ontdekt en uiteindelijk leidde tot het quarkmodel van conventionele hadronen in de jaren zestig. We creëren 'deeltjesdierentuin 2.0'."

"Door nieuwe soorten tetraquarks en pentaquarks te vinden en hun eigenschappen te meten, kunnen theoretici een uniform model van exotische hadronen ontwikkelen, waarvan de exacte aard grotendeels onbekend is", zegt LHCb-woordvoerder Chris Parkes. "Het zal ook helpen om conventionele hadronen beter te begrijpen."

Terwijl sommige theoretische modellen exotische hadronen beschrijven als afzonderlijke eenheden van strak gebonden quarks, beschouwen andere modellen ze als paren standaard hadronen die losjes zijn gebonden in een molecuulachtige structuur. Alleen de tijd en meer studies van exotische hadronen zullen uitwijzen of deze deeltjes de een, de ander of beide zijn. + Verder verkennen

Nieuw exotisch materiedeeltje, een tetraquark, ontdekt