Wetenschappers hebben het bestaan van een nieuw deeltje bevestigd: de pentaquark

Gisteren kondigde CERN, thuisbasis van 's werelds grootste deeltjesversneller, aan dat ze een nieuw deeltje hebben geobserveerd: de pentaquark.

Het langgezochte, maar tot nu toe nog niet waargenomen deeltje werd ontdekt in het LHCb (Large Hadron Collider beauty) experiment. Zijn naam krijgt het deeltje door haar componenten. Het is opgebouwd uit vijf elementaire deeltjes, quarks.

"We hebben voor de eerste keer onomstotelijk bewijs gevonden voor het bestaan van een deeltje dat uit vijf quarks bestaat, om precies te zijn vier quarks en één antiquark," vertelt Guy Wilkinson, deeltjesfysicus bij de University of Oxford en woordvoerder van het LHCb experiment, aan me via de telefoon. Antiquarks zijn hetzelfde als quarks maar dan met een tegengestelde lading.

"De zogenaamde pentaquark is een deeltje dat al 50 jaar geleden is voorspeld," vervolgt Wilkinson.

Pentaquarks, of vergelijkbare deeltjes, werden voor het eerst beschreven door Murray Gell-Mann, een Amerikaanse natuurkundige die in 1969 een Nobelprijs kreeg voor zijn werk over elementaire deeltjes. Hij kwam op de proppen met een essentieel deel van de theorie over quarks, waarvan CERN schrijft dat het de manier waarop de de structuur van materie bekijken radicaal heeft veranderd.

Door quarks te combineren kunnen andere deeltjes, voornamelijk protonen en neutronen, worden gemaakt. Deze deeltjes bestaan uit drie quarks. Gell-Mann schreef de theorie over het bestaan van deeltjes die bestonden uit vijf quarks op, maar tot nu toe konden die nog niet worden gevonden. Niet omdat het nog niet eerder geprobeerd is, trouwens, de vorige observaties waren gewoon niet afdoende.

"Het is erg frustrerend en ook wel zorgwekkend geweest dat we na al die tijd dit soort deeltjes niet konden vinden," zegt Wilkinson. "Deze ontdekking vertelt ons dat quarks daadwerkelijk met elkaar reageren op de manier waarop hij [Gell-Mann] het beschreef."

Hij hoopt dat we door de ontdekking van de pentaquark meer te weten komen over de "sterke wisselwerking," het principe in het Standaardmodel dat ons vertelt hoe quarks op elkaar inwerken. "Het ontdekken van dit nieuwe type deeltjes en het begrijpen van het gedrag van de pentaquark kan ons daar meer over vertellen," zegt Wilkinson.

Pentaquarks zijn niet als protonen en neuronen overal om ons heen. Daarvoor zijn ze te onstabiel (wat betekent dat ze na hele korte tijd uiteenvallen). Om ze te vinden moest het LHCb team de immense kracht van de Large Hadron Collider gebruiken. Hun bevindingen zijn voortgekomen uit de eerste set data die werden verkregen uit de LHC tot aan 2013. Ze komen dus niet voort uit de nieuwe data, waarvoor deeltjes met bijna twee keer de hoeveelheid energie tegen elkaar knallen (het duurt erg lang om door alle data heen te zeven en de feiten te analyseren).

Ze vonden de pentaquark in het verval van andere deeltjes tijdens de botsingen. Wilkinson legt uit dat ze eerst een karakteristieke piek in hun data zagen. Dat was een grote aanwijzing voor het bestaan van een nieuw deeltje. Vervolgens bekeken ze de verdeling van deeltjes die meededen aan de botsing om de resultaten te verifiëren. "We checken of de hypothese echt alleen verenigbaar was met de pentaquark en niet door andere, meer standaard deeltjes kon worden verklaard - een soort samenzwering van reeds bestaande deeltjes die samen een versterkte piek gaven," legt hij uit.

De LHCb samenwerking, waaraan honderden wetenschappers meedoen, publiceerde een paper over haar bevindingen op de Arxiv preprint server en heeft het paper ingediend bij de Physical Review of Letters.

De volgende stap voor de groep zal bestaan uit het bestuderen van de eigenschappen van de pentaquark. Ze zullen kijken hoe de quarks binnenin het deeltje binden - en of ze dat eigenlijk wel echt doen. "We kunnen ook gaan kijken naar andere pentaquarks," zegt Wilkinson. "Nu we weten dat deze wezens echt bestaan zouden er veel meer moeten zijn die we hopelijk kunnen zien."

De ontdekking voegt een volgend stukje toe aan de puzzel van de deeltjesfysica die past bij het Standaardmodel, de fundamentele theorie die beschrijft hoe elementaire deeltjes en interacties materie vormen.

Dit deeltje werd bevestigd met behulp van data uit de eerste run van de LHC. Nu de deeltjesversneller weer aan het werk is met nog veel grotere energieën, hopen de natuurkundigen bij CERN op meer nieuwe ontdekkingen – waaronder hopelijk een aantal die we niet verwachten.

Bekijk ook de nieuwe documentaire van Motherboard over de herstart van de LHC en de zoektocht naar nieuwe natuurkunde: