Fysici verbonden aan het deeltjesfysica-instituut CERN hebben het bestaan van een nieuw deeltje bevestigd. Dit bijzondere deeltje, dat de weinig aansprekende naam Z(4430) heeft gekregen, opent de deur naar nieuwe, exotische fysica.
Het nieuwe deeltje Z(4430) werd ontdekt door fysici van het LHCb-experiment, één van de vier grootste experimenten behorend bij Large Hadron Collider, de deeltjesversneller waarin eerder ook het higgsdeeltje opdook. Het artikel waarin zij de vondst van het deeltje beschrijven, is ingediend bij het vakblad Physical Review Letters maar is nu al te lezen op de wetenschappelijke voorpublicatiesite Arxiv.
- Lees ook: Exclusieve New Scientist-reis naar CERN
Exotisch deeltje
Het nieuwe deeltje is een hadron. Dat wil zeggen dat het deeltje verder kan worden opgesplitst in quarks. Quarks zijn elementaire deeltjes en kunnen voor zover bekend niet verder worden opgesplitst in kleinere deeltjes. Bekende voorbeelden van hadronen zijn het proton en het neutron. Naast hadronen bevat de natuur ook zogeheten leptonen, die niet zijn opgebouwd uit quarks en zelf elementaire deeltjes zijn. Een bekend voorbeeld is het elektron.
Het Z(4430)-deeltje dat nu ontdekt is, is een hadron, maar wel een heel bijzondere. Fysici spreken daarom liever van een exotisch hadron. Het bijzondere aan Z(4430) is dat het deeltje is opgebouwd uit vier quarks. Tot nog toe zijn alle bekende hadronen opgebouwd uit twee of drie quarks. Met die aantallen quarks zijn de deeltjes stabiel, omdat zij zich in paren van twee of drie mooi symmetrisch laten ordenen.
De reden daarvoor schuilt in een eigenschap van quarks die ‘kleur’ heet. Net zoals deeltjes een ‘lading’ hebben, die positief of negatief kan zijn, hebben quarks ook een zogeheten kleurlading, die fysici indelen in rood, groen, blauw én anti-rood, anti-groen en anti-blauw. Tot voor kort leek te gelden dat quarks nooit los voor konden komen, omdat in alle bekende deeltjes de kleurlading elkaar zou ‘opheffen’ tot ‘wit’.
De combinatie van twee quarks, die fysici mesonen noemen, bestaan altijd uit een quark en zijn anti-deeltje, met een kleur en de bijbehorende anti-kleur. In deeltjes met drie quarks – zogeheten baryonen – tellen de drie kleuren, rood, groen en blauw, samen op tot wit om zo een ‘kleurneutraal’ deeltje te vormen.
Het nieuwe deeltje is in feite een soort dubbele uitvoering van een meson. Het Z(4430)-deeltje bestaat namelijk uit twee quarks en twee anti-quarks, en is daardoor in theorie ook kleurneutraal.
Eerdere meting
Fysici kwamen het deeltje voor het eerst op het spoor in 2007, toen een internationaal onderzoeksteam van 400 natuurkundigen, de zogeheten Belle-groep, in metingen met een deeltjesversneller van het Japanse deeltjesfysica-instituut KEK de handtekening van het deeltje tegenkwam. Omdat het deeltje echter niet goed in de huidige fysicamodellen paste en de resultaten van het experiment statistisch nog niet overtuigend waren, gingen veel natuurkundigen ervan uit dat de bevinding op toeval berustte.
Dat werd nog eens extra bevestigd toen een ander internationaal onderzoeksteam, BaBar, een aantal jaar later na een heranalyse van de resultaten tot de conclusie kwam dat er geen reden was om te veronderstellen dat het deeltje bestond, hoewel zij de eerdere resultaten ook niet konden weerleggen.
De onderzoekers van het LHCb-experiment bij CERN hebben nu met nieuwe gegevens, en met behulp van de door de eerdere groepen gebruikte analysemethoden, aangetoond dat het Z(4430)-deeltje wel degelijk bestaat. De vondst neemt daardoor de twijfel weg die ontstond doordat de twee vorige experimenten elkaar tegen spraken. De onderzoekers analyseerden voor hun resultaat tienduizenden mesonen die vervielen tot andere deeltjes, waargenomen tussen biljoenen deeltjesbotsingen in de LHC. Door dat grote aantal werd de vondst van het deeltje statistisch stevig genoeg om van een ontdekking te spreken.
Tetraquark
Het nu gevonden deeltje is dus vermoedelijk een zogeheten tetraquark, oftwel een deeltje dat bestaat uit vier quarks. Al langer bestaat onder fysici het vermoeden dat dergelijke deeltjes kunnen bestaan. Naast de Z(4430) bestaan meerdere andere kandidaten voor deeltjes met meer dan drie quarks. Zo dook in 2003 bijvoorbeeld nog bewijs op voor een pentaquark, een deeltje dat bestaat uit vijf quarks, in het Japanse Laser Electron Photon Experiment. Twee jaar later bleek dat resultaat echter op niets uit te lopen.
Ook in het geval van Z(4430) is nog niet helemaal zeker dat het deeltje daadwerkelijk een tetraquark is. Hoewel het LHCb-experiment het bestaan van Z(4430) heeft bevestigd, is de samenstelling van het deeltje nog niet onomstotelijk bewezen. Zo is nog niet helemaal uit te sluiten dat Z(4430) geen daadwerkelijk deeltje is, maar simpelweg een losjes gebonden samensmelting van twee mesonen – al lijkt de massa van het gevonden deeltje die optie vooralsnog tegen te spreken. Bovendien blijkt uit de huidige resultaten dat de Z(4430) grofweg tienmaal sneller vervalt dan eerdere kandidaten voor een tetraquark. Daarom moeten de fysici nu eerst meer informatie verkrijgen over hoe het deeltje precies vervalt.
Neutronensterren
De nieuwe vondst toont aan dat het laatste woord over de vraag hoe quarks kunnen samenklonteren tot deeltjes nog niet is gesproken. Het gooit de deur naar het bestaan van tetraquarks, en mogelijk zelfs pentaquarks of hexaquarks, weer wagenwijd open. Dat heeft meteen implicaties voor andere takken van de natuur- en sterrenkunde, zoals bijvoorbeeld de theorie van neutronensterren, de meest extreem zware en dicht samengepakte sterren die in het universum te vinden zijn.
In neutronensterren gaan astrofysici ervan uit dat materie zo dicht op elkaar zit dat daarin alleen nog neutronen kunnen voorkomen. Neutronen zijn baryonen en bestaan uit drie quarks, en over het algemeen gaan astrofysici ervan uit dat alle deeltjesinteracties in een neutronenster gebeuren met neutronen. Als tetraquarks echter bestaan, zoals de vondst van Z(4430) lijkt te bevestigen, dan zou het best mogelijk zijn dat deze deeltjes onder de hoge druk en energie in het binnenste van een neutronenster daar daadwerkelijk ontstaan. Dat zou zelfs kunnen leiden tot de productie van pentaquarks of hexaquarks en misschien zelfs, speculeren sommige fysici, tot losse quarks die in hun eentje door de ster zouden kunnen zwerven zonder te voldoen aan de eis van kleurneutrale deeltjes.
Op het moment dat dat gebeurt, spreken fysici niet meer over een neutronenster, maar is er sprake van een hypothetisch object dat bekend staat onder de naam quarkster. Die kosmische beesten zouden een nog grotere dichtheid kunnen behalen dan een neutronenster, zonder direct te vervallen tot zwart gat – het meest dichte object dat fysici kennen.
Hieronder spreken LHCb-woordvoerder Pierluigi Campana and LHCb-fysicus Richard Jacobsson over de vondst van Z(4430):
Lees verder: