Meer dan drie jaar nadat ze een nooit eerder gezien subatomair deeltje hadden ontdekt, weten natuurkundigen nu hoe deze deeltjes - pentaquarks genaamd - in elkaar worden gezet.
Nieuw onderzoek onthult drie volledig nieuwe soorten pentaquarks en laat zien dat ze elk uit twee componenten bestaan: een driekwartcluster genaamd een baryon en een combinatie van quark en antiquark genaamd een meson.
"We kregen een veel scherper beeld en we zeiden: 'Oh mijn god, er zitten dingen in die we eigenlijk niet hadden kunnen bedenken'," zei studieleider Tomasz Skwarnicki, natuurkundige aan de Syracuse University in de staat New York.
Subatomaire structuur
Quarks zijn subatomaire deeltjes die in zes soorten voorkomen (omhoog, omlaag, vreemd, charme, onder en boven). Het zijn de bouwstenen van protonen en neutronen, die zijn gemaakt van drie quarks per stuk. Deze driekwart-deeltjes zijn ook bekend als baryons. Een ander belangrijk deeltjestype is het meson; deze bestaan elk uit een quark en een antiquark. Antiquarks zijn de rare antimaterie-neven van quarks.
In de jaren zestig, toen natuurkundigen voor het eerst theoretiseerden over al deze quarks, realiseerden ze zich dat er geen reden was om geen deeltjes van vier of vijf quarks te maken, vertelde Skwarnicki aan WordsSideKick.com. Maar er was geen experimenteel bewijs van deeltjes met vijf quarks of pentaquarks - dat wil zeggen, tot 2015, toen Skwarnicki en zijn collega's de objecten ontdekten tussen de deeltjes die zijn ontstaan door botsingen in de Large Hadron Collider in Genève.
Destijds, zei Skwarnicki, waren de gegevens een beetje wazig. Sindsdien hebben de onderzoekers het aantal gegevens over deze pentaquarks met een factor negen vergroot. Dat leverde een veel scherper beeld op, zei Skwarnicki.
Ballen van quarks
Het eerste dat de onderzoekers ontdekten was dat er onder de LHC-deeltjes drie afzonderlijke pentaquarks van drie unieke massa's zijn. Eentje was eerder niet opgemerkt. De twee andere waren in het onderzoek van 2015 als één piek in het spectrum van de deeltjesmassa verschenen, maar zijn nu zichtbaar als twee afzonderlijke deeltjes met afzonderlijke massa's.
Het belangrijkste is dat de nieuwe gegevens de interne structuren van deze pentaquarks onthullen. Eerder, zei Skwarnicki, was het niet duidelijk hoe de vijf quarks in het pentaquark waren gerangschikt. Hebben ze allemaal met elkaar omgegaan? Of waren er in plaats daarvan twee clusters - een baryon met drie quarks en een meson (het deeltje gemaakt van een quark en een antiquark) die met elkaar in wisselwerking stonden?
Uit de nieuwe gegevens blijkt dat dit het laatste geval is. Gebaseerd op hoe de quarks vervallen - ze zijn onstabiel en bestaan slechts kort voordat ze hun configuraties wijzigen - moeten ze worden gemaakt van interagerende baryons en mesonen, zei Skwarnicki. De pentaquarks bestaan uit een charm-quark, een anti-charm-quark, twee up-quarks en één down-quark. Ze hebben verschillende massa's omdat de quarks in verschillende kwantumtoestanden voorkomen.
'Het belang van de nieuwe waarnemingen is dat ze nu in één duidelijke richting wijzen', zei hij. Elke pentaquark is gemaakt van een baryon met drie quarks erin en een meson met een quark en een antiquark.
'Het is alsof twee afzonderlijke balletjes quarks aan elkaar plakken', zei Skwarnicki.
Skwarnicki presenteerde de resultaten 26 maart op de natuurkundeconferentie Rencontres de Moriond in La Thuile, Italië. De onderzoekers zijn van plan verdere metingen te doen om hun bevindingen te bevestigen, zei Skwarnicki, en ze zijn van plan om te zoeken naar meer pentaquark-arrangementen.
'Ik heb er vertrouwen in dat we in de toekomst meer van deze pentaquark-achtige deeltjes zullen zien', zei hij.
