Na decennia rondneuzen in de wiskunde achter de lijm die de ingewanden van alle materie bij elkaar houdt, hebben natuurkundigen een vreemd hypothetisch deeltje gevonden, een die nooit in een experiment is verschenen. Genaamd een sexaquark, de excentrieke bal bestaat uit een funky arrangement van zes quarks met verschillende smaken.
Behalve dat het een cool klinkend personage was, zou het sexaquark uiteindelijk het immer gekmakende mysterie van donkere materie kunnen verklaren. En natuurkundigen hebben ontdekt dat als het sexaquark een bepaalde massa heeft, het deeltje voor altijd zou kunnen leven.
Quarks van de natuur
Bijna alles wat je kent en waar je van houdt, is gemaakt van kleine deeltjes die bekend staan als quarks. Er zijn er zes, gezien de namen, om verschillende nerdy redenen, van boven, beneden, boven, onder, vreemd en charmant. De op en neer variëteiten zijn de lichtste van het stel, waardoor ze verreweg de meest voorkomende zijn. (In de deeltjesfysica geldt: hoe zwaarder je bent, hoe groter de kans dat je vervalt in kleinere, stabielere dingen.)
De protonen en neutronen in je lichaam zijn allemaal samengesteld uit trio's van quarks; twee ups en een down vormen een proton, en twee downs en een up vormen een neutron. Vanwege het gecompliceerde karakter van de sterke kracht, vinden quarks het echt leuk om in groepen van drie rond te hangen, en dat is ook verreweg de stabielste en meest gebruikelijke configuratie.
Af en toe creëren we in onze deeltjesbotsers deeltjes die elk bestaan uit een paar quarks; deze conglomeraties zijn instabiel en vervallen snel in iets anders. Soms, als we echt ons best doen, kunnen we vijf quarks aan elkaar lijmen en ze - kort - mooi met elkaar laten spelen voordat ook zij in iets anders vervallen.
En tot op heden zijn dat alle combinaties van quarks die we hebben kunnen vervaardigen.
Er kan echter iets vreemds zijn.
De smederij van de elementen
Na tientallen jaren rondneuzen in de wiskundige hoeken van de sterke kernkracht, vonden natuurkundigen een vreemde combinatie die nog niet in onze experimenten is verschenen: een arrangement van zes quarks, bestaande uit twee ups, twee downs en twee stranges: het sexaquark.
Theorieën voorspellen geen massa voor het sexaquark; deze waarde zou afhangen van de precieze opstelling en interactie van de individuele quarks in dat deeltje, dus het is aan de experimentele natuurkundigen om het uit te zoeken. En wat betreft de stabiliteit van de sexaquark? Berekeningen suggereren dat als de massa onder een bepaalde drempel daalt, deze voor altijd absoluut stabiel zou zijn, wat betekent dat het nooit zou vervallen. En als de massa iets groter is dan dat, maar nog steeds onder een bepaalde drempel, dan zou het deeltje vergaan, maar over zulke lange tijdschalen dat het net zo goed voor altijd stabiel zou kunnen zijn.
Dus als het stabiel is, waarom hebben we het dan nooit gezien?
Merkwaardig genoeg valt het bereik van stabiele massa's voor het sexaquark onder de drempel van wat veel experimenten met deeltjesbotsing kunnen creëren; deze tools zijn ontworpen om veel zeldzamere, veel zwaardere, veel vluchtiger deeltjes te bestuderen. Met andere woorden, het sexaquark verbergt zich misschien in het volle zicht en is al die jaren gewoon onder de radar gevlogen.
Maar deeltjesbotsers zijn niet de enige plek om sexaquarks te maken. De eerste momenten van de oerknal waren een hectisch broeinest van kernenergie, met temperaturen en drukken die hoog genoeg waren om helium en waterstof uit een rauwe soep van quarks te smeden. En die smederij heeft mogelijk ook onze kosmos overspoeld met sexaquarks, samen met alle meer bekende subatomaire karakters.
Voorlopige berekeningen suggereren dat als het sexaquark echt bestaat binnen het juiste bereik van massa's, het in het vroege universum in belachelijke overvloed zou kunnen zijn geproduceerd. En het had die jeugdige hel kunnen overleven. In feite kunnen sexaquarks nog steeds bestaan, niet echt met iets in wisselwerking staan, niet echt in iets anders vervallen - gewoon bestaan, en extra zwaartekracht trekken waar ze ook verzamelen, vanwege hun massa.
Een onzichtbaar deeltje dat het universum overspoelt en dat alleen via de zwaartekracht in wisselwerking staat? Bingo. Dat is donkere materie.
Een licht in het donker
Om het sexaquark donkere materie te laten maken, moet het echt bestaan. Dat is momenteel een onderwerp van discussie, omdat het object nooit is opgemerkt in een deeltjesbotsingsexperiment. Maar zoals we eerder zagen, kan de relatief lichte massa van de sexaquark betekenen dat het onopgemerkt voorbij kan glijden, simpelweg omdat we er niet naar op zoek waren.
Maar dat begint te veranderen. De BaBar-detector in het SLAC National Accelerator Laboratory in Californië is erg goed in het produceren van veel combinaties van quarks, waaronder enkele echt zware die vervallen tot stabielere en redelijkere regelingen. BaBar zou ook een geweldige oogst van sexaquarks moeten produceren, als ze bestaan.
Een paper gepubliceerd op 2 januari in de arXiv-database heeft het laatste resultaat gerapporteerd: geen teken van het sexaquark. Maar die bevinding is zeker tot een betrouwbaarheidsniveau van slechts 90%. Dat betekent dat als de meer massieve en minder stabiele combinaties van quarks vervallen tot stabiele sexaquarks, ze dat zeer zelden doen, met een snelheid van slechts 1 op de 10 miljoen.
Sluit dit het seksquark uit als kandidaat voor donkere materie? Niet helemaal. Het kan zijn dat de omstandigheden in het vroege universum het mogelijk maakten dat er genoeg sexaquarks werden gemaakt die de hoeveelheid donkere materie die we schatten in het universum zouden kunnen verklaren. Maar het nieuwe resultaat maakt het een uitdaging om het sexaquark te gebruiken om donkere materie te verklaren.
Leuk geprobeerd, sexaquark, maar geen sigaar - in ieder geval nog niet.
Paul M. Sutter is astrofysicus bijZONNIG Stony Brook and the Flatiron Institute, gastheer vanVraag een Spaceman enSpace Radio, en auteur vanJouw plaats in het universum.
