'Three quarks for Muster Mark !,' schreef James Joyce in zijn labyrintische fabel,Finnegan’s Wake. Je hebt dit citaat misschien wel gehoord - de korte, onzinnige zin die uiteindelijk de naam 'quark' gaf aan de (tot nu toe onovertroffen) meest fundamentele bouwstenen van het universum. De natuurkundigen van vandaag zijn van mening dat ze de basis begrijpen van hoe quarks combineren; drie verenigen zich om baryons te vormen (alledaagse deeltjes zoals het proton en neutron), terwijl twee - een quark en een antiquark - aan elkaar plakken om meer exotische, minder stabiele variëteiten te vormen, mesonen genaamd. Zeldzame vier-quark-partnerschappen worden tetraquarks genoemd. En vijf quarks gebonden in een delicate dans? Dat zou natuurlijk een zijn pentaquark. En het pentaquark, tot voor kort nog maar een verzinsel van de natuurkunde, is nu ontdekt bij de LHC!
Dus wat is het probleem? Het pentaquark is niet zomaar een leuk woord om vijf keer zo snel te zeggen, maar kan vitale nieuwe informatie over de sterke kernkracht ontsluiten. Deze onthullingen kunnen uiteindelijk de manier veranderen waarop we denken over onze buitengewoon dichte vriend, de neutronenster - en, inderdaad, de aard van vertrouwde materie zelf.
Natuurkundigen kennen zes soorten quarks, die op gewicht zijn gerangschikt. De lichtste van de zes zijn de op en neer quarks, die de meest bekende alledaagse baryons vormen (twee ups en een down in het proton, en twee downs en een up in het neutron). De volgende zwaarste zijn de charme en vreemde quarks, gevolgd door de bovenste en onderste quarks. En waarom zou je daar stoppen? Bovendien heeft elk van de zes quarks een bijbehorend anti-deeltje of antiquark.
Een belangrijk kenmerk van beide quarks en hun tegenhangers tegen deeltjes is iets dat 'kleur' wordt genoemd. Natuurlijk hebben quarks niet dezelfde kleur als een appel "rood" of de oceaan "blauw" zou kunnen noemen; deze eigenschap is eerder een metaforische manier om een van de essentiële wetten van de subatomaire fysica te communiceren - dat quark-bevattende deeltjes (de zogenaamde hadrons) altijd een neutrale kleurlading dragen.
De drie componenten van een proton moeten bijvoorbeeld één rode quark, één groene quark en één blauwe quark bevatten. Deze drie 'kleuren' vormen samen een neutraal deeltje op dezelfde manier als rood, groen en blauw licht samengaan om een witte gloed te creëren. Soortgelijke wetten gelden voor de quark en antiquark die een meson vormen: hun respectievelijke kleuren moeten precies tegenovergesteld zijn. Een rode quark kan alleen worden gecombineerd met een antirood (of cyaan) antiquark, enzovoort.
Ook de pentaquark moet een neutrale kleurlading hebben. Stel je een proton en een meson (specifiek een type genaamd een J / psi-meson) samen gebonden - een rode, een blauwe en een groene quark in de ene hoek en een kleurneutraal quark-antiquark-paar in de andere - voor een in totaal vier quarks en één antiquark, waarvan alle kleuren elkaar keurig opheffen.
Natuurkundigen weten niet zeker of de pentaquark is gemaakt door dit soort gescheiden opstelling of dat alle vijf de quarks rechtstreeks met elkaar zijn verbonden; Hoe dan ook, zoals alle hadrons, wordt de pentaquark in bedwang gehouden door die titan van fundamentele dynamiek, de sterke kernkracht.
De sterke kernkracht, zoals de naam al aangeeft, is de onuitsprekelijk robuuste kracht die de componenten van elke atoomkern aan elkaar lijmt: protonen en neutronen en, nog belangrijker, hun eigen samenstellende quarks. De sterke kracht is zo vasthoudend dat 'vrije quarks' nooit zijn waargenomen; ze zitten allemaal veel te strak opgesloten in hun ouderlijke baryons.
Maar er is één plaats in het heelal waar quarks op zichzelf kunnen bestaan, in een soort meta-nucleaire toestand: in een buitengewoon dichte soort neutronenster. In een typische neutronenster is de gravitatiedruk zo enorm dat protonen en elektronen ophouden te bestaan. Hun energieën en ladingen smelten samen en laten niets anders over dan een knusse massa neutronen.
Natuurkundigen hebben aangenomen dat bij extreme dichtheden, in de meest compacte sterren, aangrenzende neutronen in de kern zelfs zelf kunnen desintegreren in een wirwar van samenstellende delen.
De neutronenster ... zou een quarkster worden.
Wetenschappers zijn van mening dat het begrijpen van de fysica van het pentaquark licht kan werpen op de manier waarop de sterke kernkracht onder zulke extreme omstandigheden werkt - niet alleen in zulke overdreven dichte neutronensterren, maar misschien zelfs in de eerste fracties van een seconde na de oerknal. Nadere analyse zou natuurkundigen ook moeten helpen hun begrip van de manieren waarop quarks wel en niet kunnen combineren, te verfijnen.
De gegevens die tot deze ontdekking hebben geleid - maar liefst 9-sigma-resultaten! - kwam uit de eerste run van de LHC (2010-2013). Nu de supercollider nu op het dubbele van zijn oorspronkelijke energiecapaciteit werkt, zouden natuurkundigen geen probleem moeten hebben om de mysteries van het pentaquark nog verder te ontrafelen.
Een voordruk van de ontdekking van pentaquark, die is ingediend bij het tijdschrift Physical Review Letters, is hier te vinden.
