De deeltjesfamilie krijgt nieuwe leden: Maak kennis met de multiquarks!
De kleinste bouwstenen van de natuur, quarks, hebben veel meer combinaties dan de natuurkundigen dachten. De ontdekking kan verduidelijken wat de kleinste deeltjes – maar ook de sterrenstelsels van het heelal – bijeenhoudt.
De kleinste bouwstenen van de natuur werken als legoblokjes. Je kunt ze op allerlei manieren in elkaar zetten om voorwerpen te bouwen, en daarmee nog grotere vormen maken.
Zo kunnen in de deeltjeswereld quarks worden samengevoegd tot protonen en neutronen, die opgaan in atoomkernen, waarna de atomen moleculen vormen.
Maar de kleinste bouwstenen, quarks, zijn niet zo vrij. Natuurkundigen hebben daar de laatste 50 jaar strikte regels voor opgesteld. Die regels zeggen bijvoorbeeld dat ze alleen met z’n tweeën of drieën kunnen worden samengevoegd, en alleen in bepaalde combinaties.
Maar nu liggen die regels zwaar onder vuur. Door deeltjes in grote versnellers te verbrijzelen, hebben natuurkundigen bij onder meer CERN de laatste jaren bewijs gevonden voor nieuwe combinaties van vier, vijf en zelfs zes quarks. De zogeheten multiquarks kunnen ons iets leren over de krachten die alles om ons heen bij elkaar houden – van atomen tot sterrenstelsels.
Kleuren verbinden de wereld
In tegenstelling tot legoblokjes blijven quarks niet vanzelf aan elkaar zitten – daar hebben ze een kracht voor nodig. In de natuurkunde heet die de ‘kleurkracht’, omdat zijn eigenschappen lijken op de manier waarop kleuren zich mengen.
De drie quarks waar een proton uit bestaat, hebben de kleurkrachten rood, groen en blauw.
Als licht van deze drie kleuren wordt gemengd, heffen ze elkaar op en krijg je wit licht. Evenzo houden de kleurkrachten van quarks elkaar in evenwicht, en dat houdt het proton stabiel.
Het principe geldt voor alle deeltjes die we kunnen waarnemen. Ze kunnen alleen bestaan als de kleurkrachten van de quarks elkaar in evenwicht houden.
In een proton (l) heffen de kleurkrachten van de quarks elkaar op omdat ze respectievelijk rood, groen en blauw zijn – net zoals licht met die drie kleuren wit licht wordt als ze zich mengen (r).
Deeltjes hebben een antideeltje met een tegengestelde kleurkracht. Het tegenovergestelde van ‘rood’ is in deze context ‘antirood’, dus hier gaat de vergelijking met de gewone kleuren mank.
Een quark en een antiquark, zeg een upquark en een antidownquark, kunnen samen een ‘pion’ vormen, zolang de kleurkrachten elkaar opheffen. In wezen kunnen alle quarks en antiquarks samengaan om deeltjes te vormen – zelfs een quark met zijn eigen antiquark, hoewel zo’n deeltje snel zal vervallen.
Talloze experimenten bevestigen de regel dat kleurkrachten elkaar moeten opheffen, en daarom zijn er in versnellers ook nooit vrije quarks gezien.
Er zijn twee of drie quarks nodig om kleurloze deeltjes te vormen die waarneembaar zijn. Dit sluit de mogelijkheid van vier of vijf quarks echter niet uit.
Multiquarks verschijnen
In 2003 verscheen het allereerste spoor van een mogelijke tetraquark – dat is een deeltje met vier quarks – in een versneller in Japan. Sindsdien zijn er in weer andere experimenten meer dan tien ontdekt, en die vondsten waren betrouwbaarder.
In 2015 vonden natuurkundigen bij de LHC-versneller van CERN in Zwitserland het eerste spoor van een pentaquark – een deeltje met vijf quarks.
In 2015 leverde de LHCb-detector van CERN als eerste het bewijs dat deeltjesbotsingen in de versneller een pentaquark hadden gecreëerd.
De ontdekking van de pentaquark was een sensatie, maar juist daarom stonden natuurkundigen er sceptisch tegenover.
Als deeltjes in versnellers botsen, komen er talloze deeltjes vrij die slechts een fractie van een seconde bestaan, waardoor de resultaten makkelijk verkeerd geïnterpreteerd kunnen worden.
De curve toont het aantal vervallen deeltjes (op de y-as) en hun massa gemeten in giga-elektronvolt (x-as). De top van de curve toont het verval van een deeltje met vijf quarks.
Vervalcurve duidde op een pentaquark
De ontdekking van de pentaquark, die vijf quarks bevat, werd gedaan in 2015, toen wetenschappers van de LHC het verval van vele, kortlevende deeltjes maten.
Op de curve van de totale gegevens was bij een bepaalde massa een ‘piek’ te zien. Uit analyses bleek later dat die alleen veroorzaakt kan zijn door een deeltje dat uit vijf quarks bestaat.
Maar nu is de grote ontdekking nogmaals bevestigd. Aan de Swansea University in het VK en de universiteit van Pittsburgh in de VS zijn de gegevens van het LHC-experiment bekeken en op grond daarvan is er een nieuw model berekend.
Daarin beschouwen de onderzoekers pentaquarks als moleculen, en het blijkt dat er wel zes pentaquarks nodig zijn om de LHC-resultaten te kunnen verklaren.
‘We hebben nu een model dat de data prachtig verklaart en voor het eerst alle beperkingen die de gegevens opleveren, meeneemt,’ zei natuurkundige Tim Burns van Swansea bij de bekendmaking.
De ontdekking van het pentaquark werd definitief bevestigd in 2022, toen de natuurkundigen Eric Swanson (boven) en Tim Burns de meetresultaten interpreteerden met een nieuw model.
De belangrijkste beperking van de data is dat pentaquarks zo kort leven dat ze niet direct waarneembaar zijn.
In de detectoren zijn alleen de deeltjes te zien waartoe de pentaquark vervalt, en soms zelfs alleen de vervaldeeltjes van de vervaldeeltjes. Wetenschappers moeten soms dus ver terugkijken om na te gaan of er ooit een pentaquark is geweest.
0,0000000000000001 seconden is de levensduur van een pentaquark. Dit is de tijd die licht nodig heeft om langs één atoom te komen.
De nieuwe bevestiging van het bestaan van pentaquarks laat zien dat vijf quarks door de kleurkracht verbonden kunnen zijn. De combinatie van de kleurkrachten kan variëren, maar kan bijvoorbeeld bestaan uit twee rode, een antirode, een groene en een blauwe.
Zoeken naar de lijm van atomen
Nadere bestudering van pentaquarks en andere multiquarks kan ons helpen om de aard van de kleurkrachten nog beter te leren begrijpen.
Die krachten houden niet alleen de quarks bij elkaar in bijvoorbeeld protonen en neutronen, maar ze vormen ook de lijm die atoomkernen bijeenhoudt. De protonen in de atoomkern zouden zonder die lijm van elkaar wegvliegen door hun positieve lading, en de kern zou breken.
Hoe kleurkracht atoomkernen precies stabiel maakt is de vraag, maar wie weet helpen multiquarks met het antwoord.
Op een nog grotere schaal verwachten natuurkundigen veel van multiquarks.
Een van de grootste mysteries van het heelal is dat het onbekende – zogeheten donkere – materie lijkt te bevatten die we niet kunnen zien. We weten alleen dat die er moet zijn, anders zouden de sterren niet zo snel draaien. Hun draaisnelheid is alleen mogelijk als er heel veel donkere materie in de buurt is, die de sterren met zijn zwaartekracht beïnvloedt.
Sommige natuurkundigen denken dat de donkere materie wordt gevormd door multiquarks, en wel hexaquarks – dat zijn deeltjes bestaande uit zes quarks.
De zoektocht naar hexaquarks is nog maar net begonnen, en er is nog slechts één type gemeten in een experiment.
Multiquarks openen een nieuwe wereld
Vier quarks kunnen in paren bij elkaar zitten
De tetraquark werd voor het eerst opgemerkt in 2003 en kan met zijn vier quarks nog op een beperkt aantal manieren opgebouwd worden. Wetenschappers denken dat de vier quarks gewoonlijk in paren bij elkaar zitten, met een verbinding ertussen.
Vijf quarks geven meer combinaties
Met zijn vijf quarks heeft de in 2015 ontdekte pentaquark verschillende mogelijke configuraties. Wetenschappers stellen zich een structuur voor waarin twee paren quarks met elkaar verbonden zijn via een knooppunt, waaraan ook de vijfde quark vastzit.
Zes quarks geven de fantasie de vrije loop
De hexaquark is nog maar één keer waargenomen in een Duitse versneller, en zijn structuur is nauwelijks bestudeerd. Maar met zijn zes quarks heeft hij veel mogelijkheden. Misschien vormen vier van de quarks paren, die verbonden zijn door de laatste twee.
Hexaquarks zijn nog vluchtiger dan pentaquarks, maar natuurkundigen houden het voor mogelijk dat er vlak na de oerknal veel van gevormd zijn.
Ze kunnen zich hebben samengepakt in wolken met een materietoestand die we bose-einsteincondensaat noemen, en als ze snel genoeg elektronen hebben ingesloten, zijn die wolken mogelijk blijven bestaan als stabiele materie.
Als dit klopt, dan zouden hexaquarks de legoblokjes zijn die 85 procent van alle materie in het heelal uitmaken.