Deeltje bestaande uit vier quarks voor het eerst bevestigd

Quarks zijn de subatomaire bouwstenen van zowat alle materie in het universum. Er bestaan zes soorten (of smaken) van, die ingedeeld zijn in drie paren (up en down, charm en strange, en top en bottom). De quarks uit de paren komen normaal samen in een bepaald soort materie voor, quarks uit verschillende paren komen niet samen voor. Van alle quarks bestaat er ook een antideeltje, een antiquark met een tegengestelde lading.

Alle deeltjes opgebouwd uit quarks, die tot nu geobserveerd waren, bestaan slecht uit drie quarks, zoals de protonen en neutronen in de kern van een atoom, of uit twee quarks, zoals de pionen en kaonen die in kosmische straling worden gevonden. Er was geen natuurkundige wet die het voorkomen van deeltjes met meer quarks uitsloot, maar ze waren nog nooit gevonden. De vondst van dit kwartet vergroot het aantal manieren waarop quarks samengebracht kunnen worden om “exotische” vormen van materie te maken. Materie met twee of drie quarks wordt “gewone materie” genoemd, materie met meer quarks “exotische materie”.

“Het deeltje was een hele verrassing”, zei Zhiqing Liu, een deeltjesspecialist aan het Institute of High Energy Physics in Peking en een lid van de Belle-samenwerking, een van de twee teams die de ontdekking claimen in artikels in Physical Review Letters. Er is echter wel nog discussie over hoe het nieuwe deeltje precies is opgebouwd.

De Belle-detector, die ondergebracht is bij de High Energy Accelerator Research Organisation (KEK) in Tsukuba in Japan, houdt botsingen in het oog tussen intense stralen van elektronen en hun antimaterie-tegenhangers, positronen. Die botsingen vinden plaats met een duizendste van de energie die gehaald wordt in de krachtigste deeltjesversneller ter wereld, de Large Hadron Collider (LHC) van het CERN in Genève, maar ze hebben nog steeds energie genoeg om de omstandigheden in het vroege universum na te bootsen.

In het KEK vinden dan weer wel dubbel zoveel botsingen plaats als in de LHC, en af en toe ontstaan daarbij zeldzame deeltjes die vandaag de dag niet meer in de natuur gevonden worden, vluchtige creaties die eventjes bestaan en dan uit elkaar vallen in hun onderdelen.

En een aantal van die onderdelen, de subatomaire brokstukjes die na de botsing overblijven, komen overeen met wat men kan verwachten als een deeltje dat vier aan elkaar verbonden quarks bevat, uit elkaar valt. Het gaat dan om twee zeer zware charm quarks en twee andere quarks die het deeltje zijn lading geven. Belle heeft 159 keer de aanwezigheid van deze Zc(3900)-deeltjes vastgesteld en dat maakt dat de kans dat het om een statistische afwijking zou gaan, kleiner is dan 1 op 3,5 miljoen. “Ze hebben een duidelijk bewijs voor een deeltje met vier quarks”, zei Riccardo Faccini, een deeltjesspecialist aan de Sapienza Universiteit van Rome in het tijdschrift Nature.

Het nieuwe deeltje is ook bevestigd in een tweede experiment, de Beijing Spectrometer III (BESIII) in de Beijing Electron Positron Collider. BESIII vond 307 Zc(3900)-deeltjes op 10 biljoen biljoen botsingen tussen elektronen en positronen. “Dit maakt al de andere deeltjes die Belle gezien heeft geloofwaardig”, zei Fred Harris, een deeltjes-natuurkundige aan de University of Hawaii in Manoa en een woordvoerder voor BESIII.

Belle heeft namelijk al eerder deeltjes gezien die mogelijk uit vier quarks bestonden. In 2008 zag het een mogelijke kandidaat en in 2011 zag het twee andere deeltjes die mogelijk bestonden uit vier bottom quarks, waarnemingen die echter door geen enkele andere deeltjesversneller bevestigd zijn.

Niemand stelt het aantal quarks in het nieuwe deeltje in vraag, wel zijn er vragen over hoe ze verbonden zijn en het antwoord daarop heeft implicaties voor de kwantum-chromodynamica, de theorie die de sterke kracht beschrijft die quarks verbindt. De natuurkundigen zijn verdeeld in twee kampen over deze vraag.

Het ene kamp stelt dat het nieuwe deeltje in feite een “molecule” is, die bestaat uit twee mesonen-paren die losjes samenklitten. Mesonen zijn “gewone materie” en ze bestaan uit een quark en een antiquark. Als twee mesonen samenhangen, zou dat ook vier quarks geven, maar de twee quarks en de twee antiquarks zouden niet met elkaar verbonden zijn, enkel met hun antideeltje.

Het andere kamp stelt – zij het nog voorzichtig –, dat het nieuwe deeltje wel degelijk een echte tetraquark is (van het Grieks tetra, vier, en quark), en dat het wel gaat om vier quarks die stevig aan elkaar zitten en een compacte bal vormen. In die bal zitten de twee quarks aan elkaar vast, en ook de twee antiquarks hangen aan elkaar. Dergelijke paren komen in geen enkel bekend deeltje voor en ze zouden dus een nieuwe bouwsteen voor materie vormen. Die zou dan gebruikt kunnen worden voor computersimulaties voor alle mogelijke structuren die de quarks kunnen vormen.

De voorstanders van de tetraquarks wijzen er op dat een “molecule” bestaande uit twee mesonen, makkelijk uit elkaar zou kunnen vallen, en dat een dergelijk evenement niet blijkt uit de gegevens. “De kenmerken van een molecule zijn niet terug te vinden, wat het in het voordeel spreekt van het beeld van de tetraquark”, zei Ahmed Ali, een deeltjesspecialist bij DESY, het Duitse laboratorium voor hoge-energienatuurkunde in Hamburg.

Voorlopig is de foutmarge van het experiment echter nog te groot om de mogelijkheid uit te sluiten dat het gaat om een “molecule” van mesonen die uit elkaar valt. Een manier om dat te testen, is op zoek te gaan naar ander deeltjes die volgens de twee verklaringen, de tetraquark of de mesonen-molecule, zouden moeten bestaan.

In de hoop het debat te kunnen beslechten, zoeken de geleerden bij de BESIII voort in de gegevens die ze verzameld hebben sinds hun eerste experimenten in december en januari. Als ze echter geen sluitend bewijs vinden, zal de ontmaskering van Zc(3900) misschien moeten wachten tot de nieuwe, krachtigere versie van de Belle-detector in 2015 in gebruik wordt genomen.