Met het experiment LHCb is een exotisch deeltje waargenomen dat bestaat uit twee charmquarks en hun antideeltjes.
Quarks zijn de legosteentjes van Moeder Natuur. Op allerlei manieren zijn deze elementaire deeltjes te combineren tot samengestelde deeltjes. Lange tijd ging het daarbij steevast om combinaties van drie quarks, of van één quark en één anti-quark.
Sinds een aantal jaar ontdekken natuurkundigen echter met enige regelmaat deeltjes die uit vier quarks bestaan: zogenoemde tetraquarks. En aan die laatste verzameling heeft het team achter het LHC-experiment LHCb nu een nieuw lid toegevoegd, genaamd X(6900).
Wat deze nieuwe tetraquark bijzonder maakt, is zijn samenstelling. Hij bestaat namelijk volledig uit charm- en anticharmquarks, waar eerdere tetraquarks altijd minstens twee lichtere quarks bevatten.
Kleurloze deeltjes
Bij het bouwen van deeltjes uit quarks is ‘quarkkleur‘ het sleutelbegrip. (Geen letterlijke kleur, maar een deeltjeseigenschap die er wat overeenkomsten mee heeft.) Losse quarks zijn rood, groen of blauw. Losse quarks komen in de natuur echter niet voor. In plaats daarvan zijn ze ‘opgesloten’ in samengestelde deeltjes, die als geheel kleurloos zijn.
Een kleurloos deeltje kun je allereerst maken door een rode, een groene en een blauwe quark bij elkaar te stoppen. Vergelijk het met hoe je wit licht krijgt door rood, groen en blauw licht te combineren. Voorbeelden van zulke ‘driequarksdeeltjes’ zijn protonen en neutronen; de deeltjes waar atoomkernen uit zijn opgebouwd.
Een andere optie is een quark te combineren met een antiquark. Waar quarks een kleur hebben, hebben antiquarks namelijk een ‘antikleur’. En als je bijvoorbeeld een rode quark samenvoegt met een antirode quark, krijg je netto óók een kleurloos deeltje.
Zijn daarmee de mogelijkheden uitgeput? Nee, want er zijn bijvoorbeeld ook deeltjes van vier quarks te bedenken die kleurloos zijn. Je kunt bijvoorbeeld een rode, een antirode, een groene en een antigroene quark combineren. De eerste tekenen van zo’n deeltje werden in 2003 gezien met het Japanse experiment Belle. De laatste jaren zijn er een heel aantal ontdekt, met X(6900) als nieuwste voorbeeld.
Deeltjesoverschot
Het verschil tussen X(6900) en zijn voorgangers zit hem zoals gezegd in de samenstelling. Er zijn zes quarks: van licht naar zwaar up, down, strange, charm, bottom en top. ‘Tot nu toe bestonden alle deeltjes die duidelijk een tetra- of pentaquark waren (een pentaquark bevat vijf quarks, red.) uit een charmquark, een anticharmquark en twee of drie lichtere quarks’, zegt natuurkundige Patrick Koppenburg, lid van het LHCb-team. X(6900) bestaat echter uit twee charmquarks en twee anticharmquarks. ‘Er zit dus geen enkele lichte quark in.’
Het deeltje kwam aan het licht door een nieuwe analyse van de data die het experiment LHCb verzamelde tijdens de eerste twee periodes waarin er in de LHC botsingen tussen protonen plaatsvonden: van 2009 tot en met 2013, en van 2015 tot en met 2018. Tussen alle deeltjes die bij die botsingen ontstonden, vonden natuurkundigen bij een bepaalde massa, 6900 megaelektronvolt (MeV), een overschot van deeltjes bestaand uit één charmquark en één anticharmquark: zogenoemde J/Ψ-mesonen.
De kans dat dit overschot aan deeltjes bij toeval is ontstaan, is zó miniem, dat het LHCb-team mag spreken van een ‘ontdekking’. In dit geval: van een deeltje met een massa van 6900 MeV – vandaar de naam X(6900) – dat bestaat uit twee charmquarks en twee anticharmquarks, dat in een oogwenk uiteenvalt in twee J/Ψ-mesonen. Wat de case voor zo’n deeltje nog versterkt: de voorspelde massa ervan ligt tussen 5800 en 7400 MeV, een bereik waar 6900 MeV heel mooi in ligt.
Innige dans
De vraag is wel – net als bij eerdere tetraquarks – of het écht een tetraquark is. Oftewel: is het een deeltje dat uit vier quarks bestaat, zoals een proton uit drie quarks bestaat? Een andere mogelijkheid is dat het hier gaat om twee deeltjes van elk twee quarks, die in een innige dans verwikkeld zijn. Wat ook nog kan: een quantummechanische combinatie of superpositie van die twee scenario’s, zegt Koppenburg.
Het feit dat we niet weten wat voor soort deeltje X(6900) is, heeft te maken de natuurkracht die quarks bij elkaar houdt: de sterke kernkracht. ‘De trieste waarheid is dat we daarmee niet kunnen uitrekenen hoe deeltjes die uit quarks bestaan in elkaar zitten, zoals dat wel kan bij bijvoorbeeld een waterstofatoom’, zegt Koppenburg. ‘We kunnen alleen maar modellen maken. En dan hebben we data nodig om ons te vertellen welke modellen werken en welke niet.’
Intussen gaat LHCb gewoon door met het zoeken naar nóg meer nieuwe deeltjes en het bepalen van de eigenschappen van de al bekende exemplaren, schrijft het team op de site van het experiment. En wie weet snappen we dan op een gegeven moment wél wat Moeder Natuur allemaal precies bouwt van haar legosteentjes.
