Het LHCb-experiment bij de deeltjesversneller LHC van CERN heeft een exotisch nieuw deeltje ontdekt dat bestaat uit vier quarks. Het is niet de eerste zogeheten tetraquark, maar wel de meest stabiele tot nu toe. De ontdekking vormt een stap richting een volledig stabiele tetraquark.
Quarks zijn bouwstenen van materie. Ze zijn als legoblokjes te combineren tot samengestelde deeltjes. Zo bestaan protonen en neutronen, waar atoomkernen uit opgebouwd zijn, uit drie quarks. Tetraquarks (‘vierquarks’) zijn exotisch omdat de meeste deeltjes die we kennen uit drie of twee quarks bestaan.
In 2003 werd de eerste tetraquark ontdekt. Sindsdien ontdekken fysici met enige regelmaat nieuwe leden van de tetraquarkfamilie. Wat de nieuw ontdekte exoot bijzonder maakt, is dat hij de langstlevende is die tot nog toe is waargenomen.
Quarksmaakjes
Er bestaan zes verschillende ‘smaken’ quarks: up, down, charm, strange, top en bottom (ook wel beauty). Protonen en neutronen bestaat uit een combinatie van up- en downquarks. En elke quark heeft een antimaterietegenhanger, waarvan de eigenschappen – zoals lading – tegengesteld zijn.
De nieuw ontdekte tetraquark bestaat uit twee charmquarks, een anti-upquark en een antidownquark. Het nieuwe deeltje, genaamd Tcc+, is daarmee niet zo ‘charmant’ als de tetraquark die vorig jaar – ook door LHCb – ontdekt werd. Die bevat twee charmquarks en twee anticharmquarks.
Maar ietsje zwaarder
Exotische deeltjes zoals tetraquarks kun je maken met deeltjesversnellers, als de Large Hadron Collider (LHC) van het Europese deeltjesinstituut CERN. Ze ontstaan in het puin van de energierijke botsing van twee protonen die met bijna de lichtsnelheid op elkaar knallen. Maar ze bestaan maar kort. Tetraquarks vallen zo snel uit elkaar in kleinere deeltjes dat het onmogelijk is om ze direct waar te nemen.
Dat geldt ook voor Tcc+. Die bestaat weliswaar langer dan alle eerder ontdekte tetraquarks, maar hij valt nog steeds in een triljardste van een seconde uit elkaar, twittert natuurkundige Patrick Koppenburg van het LHCb-team.
Tcc+ is stabieler dan zijn voorgangers doordat hij maar íéts zwaarder is dan de deeltjes waarin hij uit elkaar valt. Daardoor is het energetisch maar een klein beetje gunstiger om uit elkaar te vallen dan om één geheel te blijven.
Stabiel neefje
Fysici voorspelden in 2017 het bestaan van een tetraquark die helemaal niet vervalt, genaamd Tbb. Die lijkt op Tcc+, maar heeft twee bottom- of beautyquarks in plaats van twee charmquarks. Daarom wordt hij ook wel het beautiful neefje van Tcc+ genoemd. De ontdekking van Tcc+ is een mooie stap richting die van Tbb, omdat ze beide bestaan uit twee zware quarks en twee lichte antiquarks.
Door stabielere tetraquarks te onderzoeken, hopen fysici beter te begrijpen hoe deze deeltjes in elkaar zitten. Zijn het compacte objecten, zoals protonen, waarbij alle quarks even dicht bij elkaar zitten? Of bestaan ze uit twee deeltjes met elk twee quarks die in een innige dans verwikkeld zijn?
Beeld: CERN/D. Dominguez
De nieuwe Tcc+-metingen geven nog geen antwoord op die vraag. Toekomstige Tbb-metingen doen dat misschien wel.
Buiten het bereik van de LHC
Het bestaan van deze tetraquarks werd al in de jaren tachtig voorspeld. De reden dat het zo lang duurde om ze te meten is drieledig, legt Koppenburg uit op Twitter. Allereerst moet je ze kunnen produceren. Zelfs in een productieve versneller als de LHC lukt dat niet vaak, doordat er maar zelden twee charm- of beautyquarks tegelijkertijd ontstaan.
Daarnaast zijn de deeltjes waar ze in uiteenvallen lastig te meten. Tenslotte moet je weten waar je moet zoeken. Daarvoor moet je weten hoe de deeltjes waarin een tetraquark uiteenvalt eruitzien en welke energie ze hebben. Deze drie aspecten kwamen nu samen in het LHCb-experiment. Daardoor kunnen de fysici met grote zekerheid zeggen dat ze deze nieuwe tetraquark hebben ontdekt.
De ontdekking van Tbb zal nog langer op zich laten wachten, voorspelt LHCb-analist Ivan Polyakov van de Amerikaanse Syracuse-universiteit. ‘Het deeltje wordt zelden geproduceerd en ligt op dit moment buiten het bereik van de LHC.’ Mogelijk wordt de ontdekking van Tbb wel haalbaar na de upgrades die de komende jaren gepland staan voor de LHC.
