Quarks en gluonen gaan samen in nieuw hybride meson

De hoge energie fysica heeft er misschien een nieuw deeltje bij. Twee groepen natuurkundigen, verbonden aan Brookhaven National Laboratory (New York) en de Europese deeltjesversneller CERN (Genève), hebben sterke aanwijzingen gevonden voor het bestaan van een exotisch meson (Physical Review Letters, 1 september).

Dit zou bestaan uit een quark, een anti-quark en een gluon. Dat dit laatste 'lijmdeeltje' ook als materiebouwsteen optreedt was niet eerder experimenteel aangetoond. Het betekent een nieuwe bevestiging van de quantumchromodynamica (QCD), de fysische theorie die de sterke wisselwerking beschrijft.

In de natuurkunde bestaan krachtvoelende en krachtvoerende deeltjes. De eerste soort, waartoe onder andere elektronen en quarks behoren, ondergaat een wisselwerking, deeltjes van de tweede soort, zoals fotonen en gluonen, brengen de krachtwerking over. Zo worden de drie quarks waaruit protonen zijn opgebouwd bij elkaar gehouden door gluonen die deze quarks voortdurend met elkaar uitwisselen. Dat een gluon ook kan optreden als krachtvoelend deeltje, en zo samen met quarks een samenstelling kan vormen, is begin jaren tachtig door theoretici voorspeld. Na vijftien jaar zoeken hebben experimentatoren het nu in botsingsexperimenten gevonden.

In het Brookhaven-experiment, dat in 1994 startte, werden pionen (behorend tot de familie der mesonen: combinaties van een quark en een antiquark) geschoten op een doelwit van vloeibare waterstof. De kern van een waterstofatoom is een proton, opgebouwd uit drie quarks. Van de 200 miljoen botsingen die plaatsvonden waren er 40.000 'raak' in die zin dat er na de klap een nieuw type deeltje opdook met een levensduur van 10 seconde. Met de deeltjesspectrometer, die de vervalproducten na een botsing registreert, kon worden bepaald dat het niet om een gewoon meson ging, maar om een exotische variant waarin behalve de twee quarks ook een gluon zou voorkomen. Experimenten in CERN met botsende protonen en anti-protonen lijken de bevindingen in Brookhaven te bevestigen, evenals een Russisch experiment in het Serphukov Laboratorium. De massa van het nieuwe deeltje zou in de buurt liggen van 1,4 GeV, al meten de drie de onderzoeksgroepen alle een iets verschillende waarde.

Voordat het hybride meson definitief het stempel 'echt' krijgt moeten er, aldus de theoreticus Frank Close in Science van 12 september, nog twee vragen worden beantwoord. In de eerste plaats: is de interpretatie van de metingen correct en zo ja, wat zegt dat over de diepere structuur van de materie? Drie verschillende uitkomsten voor de massa kan duiden op drie verschillende varianten van het exotische meson, maar kan ook betekenen dat 2 experimenten er naast zitten. Een derde mogelijkheid is dat er geen exotische meson-gluoncombinatie is gezien maar een deeltje dat is opgebouwd uit twee quarks en twee antiquarks. Ook dat type exotisch meson is in QCD toegestaan en is niet eerder waargenomen.