Je hebt misschien gehoord dat CERN de ontdekking (bevestiging eigenlijk. Zie addendum hieronder) heeft aangekondigd van een vreemd deeltje dat bekend staat als Z (4430). Er is een paper met een samenvatting van de resultaten gepubliceerd over de natuurkunde arxiv, een opslagplaats voor voorgedrukte (nog niet door vakgenoten beoordeelde) natuurkundige artikelen. Het nieuwe deeltje is ongeveer vier keer zo zwaar als een proton, heeft een negatieve lading en lijkt een theoretisch deeltje dat bekend staat als een tetraquark. De resultaten zijn nog jong, maar als deze ontdekking standhoudt, kan dit gevolgen hebben voor ons begrip van neutronensterren.
De bouwstenen van materie zijn gemaakt van leptonen (zoals het elektron en neutrino's) en quarks (die protonen, neutronen en andere deeltjes vormen). Quarks verschillen sterk van andere deeltjes doordat ze een elektrische lading hebben die 1/3 of 2/3 is van die van het elektron en het proton. Ze hebben ook een ander soort "lading", bekend als kleur. Net zoals elektrische ladingen interageren door een elektromagnetische kracht, interageren kleurladingen door de sterke kernkracht. Het is de kleurlading van quarks die de atoomkernen bijeenhoudt. Kleurlading is veel complexer dan elektrische lading. Met elektrische lading is er gewoon positief (+) en het tegenovergestelde, negatief (-). Met kleur zijn er drie soorten (rood, groen en blauw) en hun tegenstellingen (antirood, antigroen en antiblauw).
Door de manier waarop de sterke kracht werkt, kunnen we nooit een vrije quark waarnemen. De sterke kracht vereist dat quarks altijd bij elkaar komen om een deeltje te vormen dat kleurneutraal is. Een proton bestaat bijvoorbeeld uit drie quarks (twee naar boven en één naar beneden), waarbij elke quark een andere kleur heeft. Met zichtbaar licht geeft het toevoegen van rood, groen en blauw licht u wit licht, dat kleurloos is. Op dezelfde manier krijg je door een rode, groene en blauwe kwark te combineren een deeltje dat kleurneutraal is. Deze gelijkenis met de kleureigenschappen van licht is de reden waarom quark charge naar kleuren is vernoemd.
Het combineren van een quark van elke kleur in groepen van drie is een manier om een kleurneutraal deeltje te maken, en deze staan bekend als baryons. Protonen en neutronen zijn de meest voorkomende baryons. Een andere manier om quarks te combineren, is door een quark met een bepaalde kleur te combineren met een quark met zijn antikleur. Zo kunnen bijvoorbeeld een groene kwark en een antigroene kwark worden gecombineerd tot een kleurneutraal deeltje. Deze tweekwart-deeltjes staan bekend als mesonen en werden voor het eerst ontdekt in 1947. De positief geladen pion bestaat bijvoorbeeld uit een up-quark en een antideeltje naar beneden-quark.
Onder de regels van de sterke kracht zijn er andere manieren waarop quarks kunnen combineren om een neutraal deeltje te vormen. Een daarvan, het tetraquark, combineert vier quarks, waarbij twee deeltjes een bepaalde kleur hebben en de andere twee de bijbehorende antikleuren. Anderen, zoals het pentaquark (3 kleuren + een paar kleuren antikleuren) en het hexaquark (3 kleuren + 3 antikleuren) zijn voorgesteld. Maar tot nu toe waren deze allemaal hypothetisch. Hoewel dergelijke deeltjes kleurneutraal zouden zijn, is het ook mogelijk dat ze niet stabiel zijn en gewoon in baryonen en mesonen vervallen.
Er zijn enkele experimentele hints van tetraquarks geweest, maar dit nieuwste resultaat is het sterkste bewijs dat 4 quarks een kleurneutraal deeltje vormen. Dit betekent dat quarks op veel complexere manieren kunnen combineren dan we oorspronkelijk hadden verwacht, en dit heeft gevolgen voor de interne structuur van neutronensterren.
Heel eenvoudig, het traditionele model van een neutronenster is dat het is gemaakt van neutronen. Neutronen bestaan uit drie quarks (twee beneden en één boven), maar algemeen wordt aangenomen dat interacties tussen deeltjes binnen een neutronenster interacties zijn tussen neutronen. Met het bestaan van tetraquarks is het mogelijk dat neutronen in de kern sterk genoeg op elkaar inwerken om tetraquarks te creëren. Dit kan zelfs leiden tot de productie van pentaquarks en hexaquarks, of zelfs dat quarks individueel met elkaar kunnen interageren zonder gebonden te zijn aan kleurneutrale deeltjes. Dit zou een hypothetisch object opleveren dat bekend staat als een quarkster.
Dit is op dit moment allemaal hypothetisch, maar geverifieerd bewijs van tetraquarks zal astrofysici dwingen sommige veronderstellingen die we hebben over het interieur van neutronensterren opnieuw te onderzoeken.
Addendum: Er is op gewezen dat de resultaten van CERN geen originele ontdekking zijn, maar eerder een bevestiging van eerdere resultaten door de Belle Collaboration. De Belle-resultaten zijn te vinden in een paper uit 2008 in Physical Review Letters, evenals in een paper uit 2013 in Physical Review D.
