Nieuw deeltje bestaat uit vijf quarks

Tot nu toe waren er deeltjes met twee of met drie quarks. Nu is er een deeltje gezien met vijf quarks, een pentaquark.

De enorme magneetspoel in het LHCb-experiment in Geneve buigt deeltjes uit de botsingen af. De spoel bestaat uit 3 kilometer aluminiumkabel en is 27 ton zwaar. Foto ANP Foto ANP

Na vijftig jaar zoeken is bij de grote LHC-deeltjesbotser in Genève voor het eerst een deeltje gezien dat uit vijf quarks bestaat. Een artikel met ultraprecieze data over die ‘pentadeeltjes’ arriveerde gisteren bij het vakblad Physical Review Letters.

Quarks zijn de fundamentele bouwsteentjes van materie. Preciezer: van de kerndeeltjes in atoomkernen. De Amerikaanse theoretisch fysicus Murray Gell-Mann vernoemde ze naar een zin uit Finnegans Wake van de Ierse schrijver James Joyce: Three quarks for Muster Mark.

Quarks waren toen, in 1964, nog niet ontdekt. Gell-Mann veronderstelde slechts hun bestaan. Met drie ervan kun je protonen en neutronen (die kerndeeltjes) maken, opperde hij, terwijl je met een quark-antiquarkpaar lichtere en kortlevende deeltjes in elkaar knutselt. En heel misschien, voorspelde hij, zijn er zelfs exotische deeltjes die uit vijf quarks bestaan.

Het heeft even geduurd, maar inderdaad, zelfs die komen voor. Dat schrijven, vijftig jaar na Gell-Mann’s paper, de leden van het LHCb-experiment bij LHC.

Quarks zijn er, zoals voorspeld, in zes ‘smaken’: van licht tot zwaar en met elk een karakteristieke combinatie van (quantum)eigenschappen. Op aarde komen vrijwel uitsluitend de lichtste twee smaken voor: alle ons omringende materie is opgebouwd uit zogeheten up- en down-quarks.

Maar daarin is het LHCb-experiment niet geïnteresseerd. De LHCb-detector is gevoelig voor deeltjes met tenminste één zwaarder quark, zoals een ‘beauty’- of ‘charm’-quark.

De LHCb-detector oogt daarom anders dan de grote ATLAS- en CMS-detectoren waarmee op het Higgsdeeltje werd gejaagd. En de LHCb-fysici selecteren en analyseren ook heel andersoortige botsingen.

Die botsingen, waarin B-mesonen (deeltjes die uit twee quarks waaronder één beauty bestaan) vrijkomen, vormen de sleutel tot een groot raadsel, denken zij. Namelijk de onopgehelderde kwestie waarom de materie en antimaterie die na de oerknal ontstonden uit energie, elkaar daarna niet vernietigd hebben: er schoot overduidelijk genoeg materie over voor sterren, planeten en mensen.

Intussen geven nu deeltjes met charm-quarks erin, als bijvangst, inzicht in de zogeheten pentaquarks – die exotische uit vijf quarks bestaande deeltjes waar Gell-Mann het een halve eeuw geleden al over had.

Een beetje onduidelijk is nog of het echt gaat om een krachtig gebonden toestand van vijf quarks zoals Gell-Mann voorzag, of om een exotische combinatie van twee ‘normale’ deeltjes die uit drie, respectievelijk twee quarks bestaan, aldus Niels Tuning. Hij is projectleider bij LHCb namens het Nederlands instituut voor deeltjesonderzoek, Nikhef.

Maar hopelijk, aldus de auteurs, geven deze exotische deeltjes (die al snel weer uit elkaar vallen) in elk geval dieper inzicht in de wijze waarop quarks doorsnee kerndeeltjes vormen.