LHCb neemt exotisch pentaquark-deeltje waar

14 juli 2015

In een baanbrekend artikel uit 1950 beschreef Murray Gell-Mann dat alle subatomaire kerndeeltjes opgebouwd zijn uit ofwel drie quarks (baryonen) ofwel een quark – anti-quark paar (mesonen). Op basis van zijn model is later de uiterst succesvolle theorie van de kernkrachten, de Quantum Chromo Dynamica (QCD), ontwikkeld. Deze theorie verklaart via een kleur-analogie (“chromo”) dat materie alleen maar in “kleurloze” vormen van quarks kan voorkomen.

Het LHCb-experiment bij CERN in Genève heeft op 14 juli een publicatie naar buiten gebracht waarbij de ontdekking van een vijf-quark toestand, het pentaquark, wordt aangekondigd. Het is niet voor het eerst dat pentaquarks in het nieuws komen, echter eerdere claims van andere experimenten waren omstreden en  zijn niet bevestigd.

LHCb heeft pentaquarks waargenomen als een kortstondige metastabiele toestand  (een resonantie) bij 26.000 vervallen van zogenaamde Λb0 baryonen. Dit  Λb0 baryon is een zwaar deeltje dat lijkt op een neutron, maar dan met een b-quark i.p.v. een d-quark. Het verval van een dergelijk deeltje kan plaatsvinden volgens het diagram in figuur 1a, waarin alleen bekende deeltjes voorkomen, maar ook volgens diagram in figuur 1b, waarbij er een exotisch pentaquark van vijf quarks, genaamd Pc+, geproduceerd wordt. In beide vervalsmogelijkheden zullen de in eerste instantie geproduceerde deeltjes ook weer verder vervallen tot uiteindelijk dezelfde deeltjes geproduceerd worden: een zogenaamd J/ψ, een Kaon (K) en een proton (p). Dit zijn de deeltjes die dan in de detector waargenomen worden.  Een weergave van een van deze gebeurtenissen in LHCb is te zien in figuur 2.

Het bestaan van het pentaquark deeltje Pc+ wordt geconcludeerd door naar de statistische verdeling te kijken van de gedetecteerde  J/ψ en proton deeltjes. In figuur 3 wordt aangetoond dat deze deeltjes een piek vertonen bij een gezamenlijke massa van 4450 ± 3 MeV, de massa van het ontdekte pentaquark.

Nu rest de vraag hoe het pentaquark deeltje precies opgebouwd is. Betreft het daadwerkelijk een krachtig gebonden toestand van 5 quarks zoals figuur 4a, of is het eigenlijk meer een samengebonden combinatie van een baryon en een meson zoals figuur 4b? We verwachten dat toekomstige metingen hier meer duidelijkheid over zullen geven.

Voor meer informatie:
Afdeling Wetenschapscommunicatie – mail – 020-5925075
Prof. Dr. Marcel Merk, programmaleider LHCb – mail – 020 5925107

Lees het persbericht op de website van CERN

Figuren:
Fig. 1: Twee diagrammatische vervalsmogelijkheden van het Λb0 deeltje: (a) via een bekende meson en baryon toestand, (b) via een meson en een pentaquark toestand.

Fig. 2: Een weergave van een gereconstrueerde gebeurtenis van het verval van een Λb0 deeltje naar een J/ψ, die weer naar twee muonen vervalt (groen), een Kaon (paars) en een proton (paars). Hierbij heeft er mogelijk kortstondig een pentaquark bestaan.
 
Fig. 3: De statistische weergave van alle gebeurtenissen bij het combineren van de energie van het proton en het J/ψ deeltje . De piek bij 4.5 GeV correspondeert met de massa van het Pc+ deeltje.
                                    
Fig. 4: Is het pentaquark een echte vijf-quark toestand (a) of betreft het een baryon-meson molecuul (b)?