De veelgehoorde klacht dat de deeltjesfysica niets nieuws oplevert, is gewoon niet waar. In een essay in het tijdschrift The Conversation openen Nikhef-fysicus Patrick Koppenburg en zijn collega Harry Cliff de schatkamer die de LHC-versneller bij CERN biedt.
ESSAY Deze maand is een tijd voor een feestje. Cern heeft zojuist de ontdekking van vier gloednieuwe deeltjes bij de Large Hadron Collider (LHC) in Genève bekendgemaakt. Dit betekent dat de LHC nu in totaal 59 nieuwe deeltjes heeft gevonden, naast het Nobelprijswinnende Higgs boson, sinds de botsing van protonen – deeltjes die samen met neutronen de atoomkern vormen – in 2009. Hoewel sommige van deze nieuwe deeltjes op basis van onze gevestigde theorieën werden verwacht, waren andere veel verrassender.
Het doel van de LHC is de structuur van materie te onderzoeken op de kortste afstanden en bij de hoogste energieën die ooit in het lab zijn onderzocht – en zo onze huidige beste theorie van de natuur te testen: het Standaardmodel voor deeltjesfysica. En de LHC heeft het gewenste resultaat opgeleverd: wetenschappers hebben het Higgs-boson ontdekt, het laatste ontbrekende stukje van het model. De theorie is echter nog lang niet volledig begrepen.
Een van de meest problematische aspecten is de beschrijving van de sterke kracht die de atoomkern bijeenhoudt. De atoomkern bestaat uit protonen en neutronen, die op hun beurt elk zijn samengesteld uit drie kleine deeltjes die quarks worden genoemd (er zijn zes verschillende soorten quarks: opwaarts, neerwaarts, charmant, vreemd, boven- en onderaan). Als we de sterke kracht een seconde zouden uitschakelen, zou alle materie onmiddellijk uiteenvallen in een soep van losse quarks – een toestand die aan het begin van het heelal een kortstondig moment bestond.
Begrijpt u ons niet verkeerd: de theorie van de sterke wisselwerking, die zogenaamd “quantumchromodynamica” wordt genoemd, staat op zeer solide grondvesten. Zij beschrijft hoe quarks samenwerken via de sterke kracht door de uitwisseling van deeltjes die gluonen worden genoemd. Je kunt gluonen zien als analogen van het meer bekende foton, het lichtdeeltje en drager van de elektromagnetische kracht.
Door de wisselwerking tussen gluonen en quarks gedraagt de sterke kracht zich echter heel anders dan het elektromagnetisme. Terwijl de elektromagnetische kracht zwakker wordt als je twee geladen deeltjes uit elkaar trekt, wordt de sterke kracht juist sterker als je twee quarks uit elkaar trekt. Als gevolg daarvan blijven quarks voor altijd opgesloten in deeltjes die hadronen worden genoemd – deeltjes die uit twee of meer quarks bestaan – waartoe ook protonen en neutronen behoren. Tenzij je ze natuurlijk met ongelooflijke snelheden openbreekt, zoals wij in Cern doen.
Om het nog ingewikkelder te maken, hebben alle deeltjes in het standaardmodel antideeltjes, die bijna identiek zijn aan zichzelf, maar een tegengestelde lading hebben (of een andere kwantumeigenschap). Als je een quark uit een proton trekt, zal de kracht uiteindelijk sterk genoeg zijn om een quark-antiquarkpaar te creëren, waarbij de nieuw gecreëerde quark in het proton terechtkomt. Je eindigt met een proton en een gloednieuw “meson”, een deeltje dat bestaat uit een quark en een antiquark. Dit klinkt misschien vreemd, maar volgens de kwantummechanica, die het heelal op de allerkleinste schaal regeert, kunnen deeltjes uit de lege ruimte tevoorschijn komen.
Dit is herhaaldelijk aangetoond door experimenten – we hebben nog nooit een eenzame quark gezien. Een onaangename eigenschap van de theorie van de sterke kracht is dat berekeningen van wat in het elektromagnetisme een eenvoudig proces zou zijn, uiteindelijk onmogelijk ingewikkeld kunnen blijken te zijn. We kunnen daarom (nog) niet theoretisch bewijzen dat quarks niet op zichzelf kunnen bestaan. Erger nog, we kunnen niet eens berekenen welke combinaties van quarks in de natuur levensvatbaar zouden zijn en welke niet.
Toen quarks voor het eerst werden ontdekt, realiseerden wetenschappers zich dat verschillende combinaties in theorie mogelijk moesten zijn. Dit omvatte paren van quarks en antiquarks (mesonen); drie quarks (baryonen); drie antiquarks (antibaryonen); twee quarks en twee antiquarks (tetraquarks); en vier quarks en één antiquark (pentaquarks) – zolang het aantal quarks min antiquarks in elke combinatie maar een veelvoud van drie was.
Lange tijd werden in experimenten alleen baryonen en mesonen waargenomen. Maar in 2003 ontdekte het Belle-experiment in Japan een deeltje dat nergens in paste. Het bleek de eerste van een lange reeks tetraquarks te zijn. In 2015 ontdekte het LHCb-experiment bij de LHC twee pentaquarks. De vier nieuwe deeltjes die we onlangs hebben ontdekt, zijn allemaal tetraquarks met een charmequarkpaar en twee andere quarks. Al deze objecten zijn deeltjes op dezelfde manier als het proton en het neutron deeltjes zijn. Maar het zijn geen fundamentele deeltjes: quarks en elektronen zijn de echte bouwstenen van materie.
De LHC heeft nu 59 nieuwe hadronen ontdekt. Daartoe behoren de tetraquarks die het meest recent zijn ontdekt, maar ook nieuwe mesonen en baryonen. Al deze nieuwe deeltjes bevatten zware quarks zoals “charm” en “bottom”.
Deze hadronen zijn interessant om te bestuderen. Zij vertellen ons wat de natuur aanvaardbaar acht als een gebonden combinatie van quarks, al is het maar voor zeer korte tijd. Zij vertellen ons ook wat de natuur niet leuk vindt. Waarom bevatten bijvoorbeeld alle tetra- en pentaquarks een charm-quark paar (met slechts één uitzondering)? En waarom zijn er geen overeenkomstige deeltjes met strange-quark paren? Er is momenteel geen verklaring voor.
Een ander mysterie is hoe deze deeltjes met elkaar verbonden zijn door de sterke kracht. Eén school theoretici beschouwt ze als compacte objecten, zoals het proton of het neutron. Anderen beweren dat ze verwant zijn aan “moleculen”, gevormd door twee losjes aan elkaar gebonden hadronen. Met elk nieuw gevonden hadron kunnen experimenten zijn massa en andere eigenschappen meten, die ons iets vertellen over hoe de sterke kracht zich gedraagt. Dit helpt de kloof tussen experiment en theorie te overbruggen. Hoe meer hadronen we kunnen vinden, hoe beter we de modellen kunnen afstemmen op de experimentele feiten.
Deze modellen zijn van cruciaal belang om het uiteindelijke doel van de LHC te bereiken: fysica vinden die verder gaat dan het standaardmodel. Ondanks zijn successen is het standaardmodel zeker niet het laatste woord in het begrijpen van deeltjes. Het is bijvoorbeeld niet in overeenstemming met kosmologische modellen die de vorming van het heelal beschrijven.
De LHC is op zoek naar nieuwe fundamentele deeltjes die deze tegenstrijdigheden kunnen verklaren. Deze deeltjes zouden zichtbaar kunnen zijn bij de LHC, maar verborgen in de achtergrond van de deeltjesinteracties. Of ze kunnen opduiken als kleine kwantummechanische effecten in bekende processen. In beide gevallen is een beter begrip van de sterke kracht nodig om ze te vinden. Met elk nieuw hadron vergroten we onze kennis van de natuurwetten, wat leidt tot een betere beschrijving van de meest fundamentele eigenschappen van materie.
Bron: The Conversation
