Pentaquark ontdekt door CERN

Theoretisch was het mogelijk, maar nooit werden ze gevonden: zogenoemde pentaquarks. Wetenschappers van een van de zeven detectoren van de deeltjesversneller LHC hebben nu eindelijk beet. Vorige week kondigden ze aan het bewijs te hebben voor een deeltje dat uit vijf quarks bestaat.

21 juli 2015

Quarks zijn de allerkleinste deeltjes die we kennen. Door verschillende quarkcombinaties te maken ontstaan bijvoorbeeld protonen of neutronen, de bouwstenen van atoomkernen, of pionen en kaonen, deeltjes die worden waargenomen in kosmische straling. De theorie eist echter dat er altijd combinaties van twee of drie quarks worden gemaakt.

Maar sinds de geboorte van het quarkmodel in 1964 was er altijd een mogelijkheid dat er óók deeltjes met vijf quarks aan boord bestaan. Zo’n deeltje is nu gevonden door wetenschappers achter het LHCb-experiment, een van de zeven detectoren van de Large Hadron Collider (LHC) van het Europese deeltjeslab CERN. De resultaten werden vorige week bekendgemaakt in een artikel op arXiv, een database met wetenschappelijke voorpublicaties.

Een impressie van een deeltje dat bestaat uit vijf quarks, een pentaquark. — Impressie van een pentaquark.
Cern

Quarktheorie

Het quarkmodel werd in 1964 onder andere bedacht door de Amerikaan Murray Gell-Mann, die er in 1969 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor ontving. In eerste instantie dacht men dat er drie verschillende quarks bestonden: het up-quark, down-quark en strange-quark. Nog geen jaar later werd het charm-quark voorgesteld en ongeveer tien jaar later kwamen daar nog het top-quark en het bottom-quark bij. Hoewel de eerste quarks ‘up’ en ‘down’ al in de jaren ’60 werden waargenomen, duurde het tot 1995 voordat het laatste quark ‘top’ werd gevonden.

Voor elke quark bestaat ook een anti-quark met een tegengestelde lading. Quarks komen nooit alleen voor. Voor protonen en neutronen zijn drie quarks nodig, voor de lichtere mesonen zijn twee quarks nodig. Mesonen vallen overigens al snel uit elkaar.

Pentaquark als tussenproduct

Het exotische pentaquark duikt op in het verval van een zogenoemd lambda-baryon, een instabiel deeltje dat gevormd wordt tijdens botsingen in de deeltjesversneller. Het verval produceert drie andere deeltjes, waaronder een proton en een kaon. In een tussenstap van dat verval zou zich een deeltje vormen met vijf quarks. De wetenschappers leiden dat af uit de energieën van de vervalproducten. Het pentaquark bestaat uit twee up-quarks, een down-quark, een charm-quark en een anti-charm-quark.

‘We hebben naar alle mogelijkheden gekeken, maar deze waarnemingen kunnen we alleen verklaren met de vorming van pentaquarks’, laat Tomasz Skwarnicki in een persbericht van CERN weten. Hij is een van de betrokken wetenschappers van de Universiteit van Syracuse.

Overigens werd er in 2003 al een melding gemaakt van de productie van een pentaquark, maar de resultaten bleken niet reproduceerbaar.

Een lasser werkt aan de Large Hadron Collider. Tussen 2013 en 2015 lag de deeltjesversneller twee jaar stil voor onderhoud. De machine heeft onder andere sterkere stroomverbindingen tussen de verschillende magneten gekregen. — Een lasser werkt aan de Large Hadron Collider.
CERN

Een rol in neutronensterren

Oké, we hebben nu een nieuw deeltje dat een fractie van een seconde bestaat in een vervalreeks. Heeft het pentaquark nog enige betekenis in natuurlijke processen? Dat zou kunnen. Guy Wilkinson, een bij het LHCb-experiment betrokken wetenschapper, speculeert dat het deeltje een rol zou kunnen spelen bij de vorming van een neutronenster. Dat gebeurt als een zware ster geen brandstof meer heeft en ineenstort door de zwaartekracht. Als er in zo’n extreme situatie pentaquarks ontstaan dan kunnen ze een rol spelen in hoe zo’n ster zich ontwikkelt, aldus Wilkinson.

Het pentaquark is ontdekt in data van voor de upgrade die de LHC de afgelopen jaren onderging, waarna het apparaat deeltjes met twee keer zoveel energie laat botsen. De hogere energie biedt wetenschappers nu de kans om meer te leren over het pentaquark.

Een van de vragen is of het pentaquark echt één deeltje is, of een combinatie van twee deeltjes met ieder twee of drie quarks. Verder jagen de wetenschappers op pentaquarks met andere quarkcombinaties.

Bron

Aaij R. et al., Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in Λ0b→J/ψK−p decays, voorpublicatie arXiv (13 juli 2015), http://arxiv.org/abs/1507.03414