Het LHCb-experiment op CERN heeft een nieuw deeltje ontdekt dat bestaat uit vier quarks, waarvan twee charm-quarks. Dat is bijzonder: deeltjes bestaan doorgaans uit twee of drie quarks, geen vier. Twee charm-quarks is nog nooit eerder gezien.
Dat heeft LHCb bekend gemaakt op de virtuele EPS-conferentie voor hoge-energiefysica vanuit Hamburg. Volgens het standaardmodel kent de deeltjeswereld quarks en leptonen, waaruit alle materie is opgebouwd. LHCb is een van de vier grote detectoren in de Lange Hadron Collider op CERN.
Het nieuwe Tcc+-deeltje ontstaat soms kortstondig bij heftige proton-protonbotsingen in de versneller in Genève. Het bestaat uit twee charm-quarks en een antiup- en antidown-quark. Tot nog toe waren alleen tetraquarks met een charm en een anti-charm bekend, of met maar één charm.
In de metingen is een spectaculaire piek te zien, die statistisch met 20 sigma boven de achtergrond uitsteekt. In de deeltjesfysica geldt 5 sigma als een solide ontdekking. “Je ziet dit soort pieken niet vanzelf, maar als je de metingen er gericht op doorzoekt, is het effect enorm”, zegt LHCb-onderzoeker Patrick Koppenburg van Nikhef.
Bij het nieuwe resultaat zijn geen Nikhef-onderzoekers rechtstreeks betrokken geweest. Nikhef heeft wel een aanzienlijke rol in het LHCb-experiment als geheel. Nikhef-fysicus Niels Tuning is bijvoorbeeld fysica-coördinator voor de internationale collaboratie.
De opbouw uit quarks van deeltjes is het domein van de sterke kernkracht. In materiedeeltjes komen quarks altijd in drietallen voor in zogenoemde hadronen. Daarnaast zijn mesonen bekend, die uit speciale tweetallen quarks bestaan. Dat laten experimenten al heel lang zien.
Tetraquarks (en pentaquarks met vijf quarks) werden al in de jaren ’60 van de vorige eeuw voorspeld, maar pas in 2004 voor het eerst echt gespot en vanaf 2014 veelvuldiger bij LHCb. Over de kwartetten en quintetten bestaat veel theoretische discussie omdat ze slecht passen in de theorie van de sterke kernkracht. Fysici noemen de toestanden om die reden “exotisch”.
Er zijn twee mogelijke verklaringen voor de exotische toestanden. Het zou kunnen gaan om twee aan elkaar klittende D-mesonen, bekende deeltjes die uit twee quarks bestaan, telkens een charm met een anti-up of anti-down. Een andere opvatting is dat het om vier even echt gebonden quarks gaat. De metingen geven geen uitsluitsel over de beste beschrijving van de nieuwe tetraquarks.
De LHCb-onderzoekers, zeggen ze in een bekendmaking, blijven zoeken naar een relatief stabiel tetraquark en noemen het nieuwe resultaat daarbij hoopgevend. De nieuwgevonden toestand is zo gemakkelijk te bekijken dat de eigenschappen nu in veel meer detail bestudeerd kunnen worden.
De ontdekking van het tetraquark met twee charm-quarks komt meer dan dertig jaar nadat theoretici het bestaan ervan in 1988 voorspelden, onder meer door de Utrechtse hoogleraar John Tjon (1937-2010).
Ook andere versnellerexperimenten van Nikhef rapporteren deze week op EPS over hun nieuwste resultaten.