LHC ontdekt een nieuwe klasse van deeltjes: de pentaquark

De ontdekking, die neerkomt op een nieuwe vorm van materie, is gedaan door onderzoekers van het LHCb-experiment bij de LHC.

"De pentaquark is niet om het even welk nieuw deeltje", zei de woordvoerder van LHCb Guy Wilkinson op de website van het CERN. "Het staat voor een manier om quarks, de fundamentele bouwstenen van gewone protonen en neutronen, te verenigen in een patroon dat nog nooit eerder geobserveerd is in meer dan 50 jaar van experimenteel onderzoek. De studie van zijn eigenschappen kan ons toelaten beter te begrijpen hoe gewone materie, de protonen en neutronen waaruit we allemaal bestaan, samengesteld is."

De ontdekking is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.

Een alternatieve vorm van de pentaquark, die bestaat uit een meson-deeltje, een quark en een antiquark (links), en een baryon, drie quarks (rechts), die zwak met elkaar verbonden zijn (illustratie: LHCb/Daniel Dominguez).

Ons inzicht in de structuur van de materie werd radicaal veranderd in 1964 toen twee natuurkundigen, Murray Gell Mann en George Zweig, onafhankelijk van elkaar het bestaan van de subatomaire deeltjes voorstelden die nu bekend staan als quarks.

Ze stelden dat de belangrijkste eigenschappen van de deeltjes die baryonen en mesonen genoemd worden, het best verklaard kunnen worden als die op hun beurt samengesteld waren uit andere deeltjes. Baryonen, waartoe de protonen en neutronen uit de atoomkern behoren, zijn samengesteld uit drie quarks, mesonen uit een quark en een antiquark, een antimaterie-deeltje.

Hun theoretisch model liet ook het bestaan toe van andere toestanden waarin quarks zich konden bevinden, zoals de pentaquark. Dat theoretisch deeltje zou bestaan uit vier quarks en een antiquark.

In het midden van de jaren 2000 beweerden verschillende onderzoeksteams dat ze pentaquarks gevonden hadden, maar het bleek telkens vals alarm: hun ontdekkingen werden vervolgens steeds te niet gedaan door andere experimenten.

"Het is een hele geschiedenis met de pentaquarks, wat de reden is waarom we zeer voorzichtig zijn geweest voor we deze studie openbaar hebben gemaakt", zei Patrick Koppenburg, een van de coördinatoren van het LHCb aan de BBC. "Het lijkt of het woord 'pentaquark' op een of andere manier vervloekt is, aangezien er veel ontdekkingen zijn geweest die dan te niet gedaan werden door nieuwe resultaten, die aantoonden dat de vorige in werkelijkheid fluctuaties waren en geen echte aanwijzingen."

De onderzoekers van het LHCb-experiment bestudeerden de manier waarop een subatomair deeltje, het Lambda b-deeltje, uiteenviel of getransformeerd werd in drie andere deeltjes. De analyse daarvan wees uit dat er soms intermediaire toestanden betrokken waren bij de vorming van de drie deeltjes.

Die tussenliggende toestanden kregen de namen Pc(4450)+ en Pc(4380)+. "We hebben alle mogelijkheden onderzocht voor deze signalen, en ons besluit is dat ze enkel verklaard kunnen worden door pentaquarks", zei LHCb-natuurkundige Tomasz Skwarnicki van de Syracuse University. "Het is uitgesloten dat wat we zien veroorzaakt kan worden door iets anders dan de toevoeging van een nieuw deeltje dat nog nooit tevoren geobserveerd is."

Voorgaande experimenten maten enkel de zogenoemde massa-verdeling, waarbij een statistische piek kan opduiken tegen het achtergrond-"geluid", wat een mogelijke aanwijzing is voor een nieuw deeltje. Maar de LHC laat de onderzoekers toe om de gegevens te bekijken vanuit bijkomende perspectieven. En de waarnemingen vanuit al die perspectieven wijzen allemaal naar dezelfde conclusie. Volgens de onderzoekers is het alsof de voorgaande onderzoeken zochten naar silhouetten in het donker, terwijl de LHCb het onderzoek voerde met de lichten aan, en vanuit alle hoeken.

De volgende stap in de analyse is te onderzoeken hoe de quarks verbonden zijn met elkaar in de pentaquarks. Daarvoor zijn er twee grote mogelijkheden, namelijk dat de vier quarks en de antiquark sterk met elkaar verbonden zijn in de pentaquark (illustratie boven het artikel), of dat de pentaquark bestaat uit een meson, een quark en een antiquark, en een baryon, drie quarks, die zwak met elkaar verbonden zijn.

De LHC van het CERN in Genève is in april opnieuw opgestart na een pauze van twee jaar voor onderhoud en verbeteringen. De eerste aanwijzingen voor het nieuwe deeltje dateren echter al van 2012, voordat de LHC stilgelegd werd.

Een deel van de detectoren van het LHCb-experiment (foto: LHCb/CERN).

Het LHCb-experiment, Large Hadron Collider beauty, legt zich toe op het onderzoeken van de kleine verschillen tussen materie en antimaterie door het bestuderen van het type deeltje dat de "beauty quark" of "b quark" genoemd wordt.

In plaats van heel het punt waar de botsingen tussen deeltjes plaatsvinden, te omringen met een detector zoals de ATLAS- en CMS-experimenten dat doen, gebruikt het LHCb een reeks van "sub-detectoren" om vooral de deeltjes waar te nemen die naar voren geworpen worden bij de botsingen. De eerst sub-detector staat dicht bij de plaats van de botsingen gemonteerd, de andere staan over 20 meter gemonteerd, de ene na de andere. 

De LHCb-detector weegt 5.600 ton, is 21 meter lang, 10 meter hoog en 13 meter breed. Hij ligt 100 meter onder de grond in de buurt van het Franse dorp Ferney-Voltaire. Aan het experiment werken een 700-tal geleerden mee uit 66 verschillende universiteiten en instituten.