Je leest:

Deeltje van vier quarks gevonden?

Deeltje van vier quarks gevonden?

Auteur: | 19 november 2003

In een experiment van de Japanse KEK electron-positron collider in Tsukuba is een deeltje uit een tot nu toe onbekende familie gevonden. Dat, of er schort iets aan de succesvolle theorie die natuurkundigen gebruiken om de subatomaire wereld te begrijpen.

Tegen de kwantumchromodynamica (QCD) schop je niet zomaar aan. De theorie mag dan niet de makkelijkste zijn, ze levert wel extreem nauwkeurige resultaten. Toen onderzoekers van het internationale Belle-onderzoeksteam sporen van het nieuwe deeltje zagen, waren ze dan ook erg verbaasd. X(3872) pastte in geen enkele bestaande familie van deeltjes. De natuurkundigen waren eigenlijk op jacht naar een zware verwant van het deeltje J/Psi, namelijk Psi2. Hoewel ze het nieuwe deeltje daar eerst voor aanzagen, merkten de onderzoekers later dat hun onverwachte gast niet erg op J/Psi leek.

Het deeltje had een heel andere massa dan de theorie voor Psi2 voorspelde en spatte ook nog eens op een andere manier uit elkaar als het na verloop van tijd verviel. Tegelijk leek het te voldoen aan voorspellingen die al in de jaren 1970 werden gedaan over deeltjes van vier, niet drie of twee quarks. Reden genoeg voor verder onderzoek – een nieuw deeltje vind je niet iedere dag!

Het vervalschema waarin X(3872) voorkwam. In de KEK-versneller botsen elektronen en hun anti-deeltjes op elkaar. Daarbij komt zoveel energie vrij, dat een hele zwerm deeltjes ontstaat. De tussenproducten vallen zelf ook uiteen. Uit de energie van de eindproducten valt af te leiden wat de tussenstappen waren: hier een onbekend deeltje X met een massa van 3872 MeV, iets meer dan een Helium-kern. bron: Belle Colaboration

Onderzoekers van de Fermi National Accelerator faciliteit in Illinois (VS) bevestigden dat het deeltje goed was waargenomen en gaven het de bijnaam ‘het mysterieuze meson’. Het lijkt erop dat het deeltje een de eerste is van een hele nieuwe deeltjesfamilie. Die zouden wel eens tetraquarks kunnen gaan heten – deeltjes die uit vier quarks bestaan. Als X(3872) tóch het deeltje Psi2 uit de bekende mesonen-familie is, klopt zijn massa niet met de QCD-theorie. Die zou dan serieus op de helling moeten om te verklaren waarom juist de massa van dít deeltje verkeerd wordt voorspeld, zegt Steve Olsen van de universiteit van Hawaii, een van de leden van het Belle-onderzoeksteam. Waarom voorspelt de theorie dan de massa’s van andere deeltjes wél goed?

Er is een andere mogelijkheid dan aannemen dat de QCD fout zit. Het nieuwe deeltje weegt namelijk evenveel als twee D-mesonen samen. Daarom denken sommigen dat X(3872) het eerste deeltje van vier quarks in plaats van twee of drie is. Het deeltje zou bestaan uit twee D-mesonen, in totaal uit twee quarks en twee anti-quarks. Volgens Gerry Bauer van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), die meehielp de Belle-metingen te controleren, zou het dan gaan om een van de eerste overtuigende bewijzen voor nieuwe soorten materie. “Het opent hele nieuwe onderzoeksgebieden,” zei hij: “er zijn vast nog veel meer van dit soort deeltjes te vinden.”

Namenbrij

Quarks, mesonen, baryonen…het is maar een kleine greep uit de hoeveelheid namen voor elementaire deeltjes. Quarks zijn de bouwstenen van bijvoorbeeld protonen en neutronen, die samen atoomkernen vormen. Een proton en een neutron bevatten allebei drie quarks. Deeltjes die uit drie quarks óf uit drie anti-quarks bestaan, heten baryonen. Er is ook een deeltjesfamilie met één quark en één anti-quark: dat zijn de mesonen, die allemaal twee quarks bevatten.

Enkele baryonen en mesonen met de samenstellende quarks. De ‘kleur’ van een quark kan rood, groen of blauw zijn, die van een anti-quark kan anti-rood (cyaan), anti-groen (magenta) of anti-blauw (geel) zijn. Een kleur en zijn anti-kleur samen leveren wit op, net als de (anti-)kleuren samen. De regel is, dat de kleur van het meson of baryon ‘wit’ moet zijn: dus rood + groen + blauw of rood + anti-rood zijn geldige combinaties, maar groen + blauw of rood + anti-groen niet. bron: prof. dr. G. ’t Hooft, Instituut voor Theoretische Fysica, Universiteit Utrecht

Hoewel er in totaal maar zes quarks bestaan, met de namen up en down, charm en strange, top (of truth) en bottom (of beauty), zijn er allerlei combinaties van te maken: elke combinatie is weer een nieuw subatomair deeltje. Bij combineren houdt het niet op: J/Psi en Psi2 bestaan bijvoorbeeld allebei uit een charm en een anti-charm quark. Maar Psi2 bevat meer interne energie dan J/Psi en heeft daardoor heel andere eigenschappen. Mogelijkheden en deeltjes genoeg!

Of het nou een normaal meson is, waar de theorie zijn tanden op stuk bijt, of het eerste waargenomen tetraquark, X(3872) zal de gemoederen nog wel even bezighouden. Zeker omdat in de jaren ’70 al over een dubbel-meson deeltje werd nagedacht. Daar zagen onderzoekers nooit sporen van, tot in april van dit jaar de eerste vingerwijzing opdook in experimenten van het Stanford Linear Accelerator Centre. Die leken niet helemaal op een tetraquark te wijzen, maar X(3872) is andere koek. Steve Olsen weet wat hij de komende tijd gaat doen: meer experimenten met het nieuwe deeltje, maar ook kritisch kijken naar bekende deeltjes. Want misschien blijken die, met een paar aanpassingen aan de theorie, toch het mysterieuze meson te zijn.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 19 november 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.