Natuurkundigen hebben het bestaan van een nieuw subatomair deeltje bevestigd, een type baryon dat twee ‘charm’-quarks bevat naast een ‘down’-quark. Deze ontdekking, gedaan bij de Large Hadron Collider (LHC) in Genève, Zwitserland, vergroot ons begrip van de fundamentele bouwstenen van materie en de krachten die deze beheersen.
De bouwstenen van materie
Atomen zijn samengesteld uit protonen en neutronen, die op hun beurt weer zijn opgebouwd uit nog kleinere deeltjes die quarks worden genoemd. Er zijn zes “smaken” van quarks: omhoog, omlaag, charmant, vreemd, onderaan en bovenaan. De zwaardere quarks komen, net als charme, veel minder vaak voor in de alledaagse materie, maar zijn cruciaal voor het begrijpen van de sterke kernkracht.
Wat maakt dit deeltje uniek?
Het nieuw ontdekte deeltje is een dubbel gecharmeerd baryon, wat betekent dat het twee charm-quarks bevat in plaats van de gebruikelijke up-quarks die in protonen voorkomen. Deze vervanging vergroot de massa aanzienlijk – ongeveer vier keer die van een proton. Het deeltje, aangeduid als een baryon, bestaat uit drie quarks en classificeert het als een hadron, een grotere familie van deeltjes bestaande uit quarks.
Het LHCb-experiment, een van de negen detectoren bij de LHC, detecteerde het nieuwe deeltje tijdens hoogenergetische protonenbotsingen. Wanneer protonen met meer dan 99% van de lichtsnelheid botsen, wordt hun energie omgezet in nieuwe deeltjes die snel vervallen tot lichtere vormen. Deze ontdekking markeert de 80e hadron die bij de LHC is waargenomen sinds het begin van de experimenten.
Waarom dit ertoe doet: de sterke kracht
Het ontdekken van deze exotische deeltjes helpt natuurkundigen de sterke kracht te onderzoeken, de krachtigste maar minst begrepen fundamentele kracht in de natuur. Deze kracht bindt quarks samen binnen hadronen, en om dit te begrijpen is het ontrafelen van de complexiteit van de kwantumchromodynamica (QCD) nodig.
“Het vinden van dit soort deeltjes helpt natuurkundigen te leren over de sterke kracht, die de krachtigste kracht in de natuur is en hadronen met elkaar verbindt.”
De nieuw ontdekte baryon is pas de tweede die met twee zware quarks is waargenomen. De vorige, gevonden in 2017, bevatte twee charm-quarks en een up-quark. Het nieuwe deeltje is zelfs nog minder stabiel en vervalt zes keer sneller. Deze korte levensduur maakt detectie moeilijk, maar levert toch cruciale gegevens op over de manier waarop de sterke strijdmacht opereert.
De ontdekking werd aangekondigd op de Moriond-conferentie over deeltjesfysica in Italië, en benadrukte de voortdurende vooruitgang in de hoge-energiefysica en ons groeiende vermogen om de diepste geheimen van het universum te doorgronden.
Dit onderzoek is essentieel voor het testen van het standaardmodel van de deeltjesfysica en het verfijnen van ons begrip van hoe massa en andere eigenschappen ontstaan in composietdeeltjes zoals baryonen. De upgrades van de LHC in 2023 hebben dit nieuwe deeltje al opgeleverd, wat duidt op verdere ontdekkingen die nog zullen volgen.
