Natuurkundigen van de Large Hadron Collider (LHC) van CERN hebben het bestaan bevestigd van een zeldzaam, zwaar deeltje dat twee charm-quarks bevat – een ontdekking die een twintig jaar oud debat over zijn massa afsluit en licht werpt op de fundamentele krachten die de materie beheersen. Het nieuwe deeltje, genaamd Xicc+, is een exotisch baryon, een soort samengesteld deeltje opgebouwd uit quarks.
Wat zijn baryonen en waarom zijn ze belangrijk?
Baryons zijn fundamentele bouwstenen van materie. Gewone deeltjes zoals protonen en neutronen vallen in deze categorie. Elke baryon bestaat uit drie quarks, die verschillende ‘smaken’ hebben. Protonen bestaan bijvoorbeeld uit twee ‘up’-quarks en één ‘down’-quark. Zwaardere quarks, zoals charm-quarks, kunnen echter ook gecombineerd worden om baryonen te creëren, hoewel deze inherent onstabiel zijn en snel vervallen.
Het Xicc+-deeltje bestaat uit twee charm-quarks en één down-quark. Het bestaan ervan werd voorspeld door theoretische modellen, maar het is notoir moeilijk te detecteren vanwege de extreem korte levensduur: minder dan een biljoenste van een seconde.
Een al lang bestaande discrepantie oplossen
Deze ontdekking gaat niet alleen over het vinden van een nieuw deeltje; het lost een discrepantie op die teruggaat tot 2002. Het SELEX-experiment in het Fermi National Accelerator Laboratory beweerde een soortgelijk deeltje te hebben opgemerkt, maar met een aanzienlijk lagere massa dan verwacht. Het LHCb-experiment heeft, na een upgrade om de gevoeligheid ervan te vergroten, nu de Xicc+ gedetecteerd met een massa die consistent is met theoretische voorspellingen.
“Nu hebben we het gevonden, maar het bevindt zich in een massa die vergelijkbaar is met die van zijn partner [Xicc++] die we een paar jaar geleden hebben gevonden, en niet in de massa die werd voorspeld door SELEX”, zegt Chris Parkes van de Universiteit van Manchester.
De statistische significantie van de nieuwe detectie overschrijdt de 7 sigma – een niveau dat zo hoog is dat natuurkundigen ervan overtuigd zijn dat het geen statistische toevalstreffer is.
Implicaties voor deeltjesfysica
De ontdekking van Xicc+ geeft inzicht in hoe de sterke kernkracht quarks aan elkaar bindt, vooral de zwaardere. De huidige theoretische modellen hebben moeite om het gedrag van deze deeltjes nauwkeurig te voorspellen.
Sommige natuurkundigen, zoals Juan Rojo van de Vrije Universiteit Amsterdam, suggereren dat de ontdekking niet meteen baanbrekende onthullingen oplevert. De nieuwe gegevens kunnen echter van cruciaal belang zijn bij het verfijnen van theoretische kaders.
“De gegevens lopen nu voor op de theorie voor dit soort deeltjes”, zegt Rojo, “maar het zou kunnen dat deze meting over vijf jaar een aantal zeer belangrijke theorievragen kan beantwoorden.”
De bevinding onderstreept de kracht van verbeterde deeltjesversnellers zoals de LHC, wat aantoont dat zelfs na decennia van onderzoek de fundamentele natuurkunde nog steeds voor verrassingen zorgt. Het Xicc+-deeltje is niet alleen een bevestiging van de bestaande theorie, maar een katalysator voor verder onderzoek naar de meest fundamentele bestanddelen van de materie.
