In een gloeiend hete soep van deeltjes hebben onderzoekers bewijs gevonden voor het bestaan van zogeheten X-deeltjes. Deze soep is gebrouwen in de deeltjesversneller LHC van natuurkundeinstituut CERN. Het deeltje draagt de werktitel ‘X’ omdat de precieze samenstelling nog onbekend is.

Meestal razen er waterstofkernen (protonen) door de 27 kilometer lange tunnel van deeltjesversneller LHC. Maar af en toe mogen zwaardere atoomkernen ook een keer. De botsingen tussen deze versnelde, zware atoomkernen bootsen de omstandigheden na van enkele microseconden na de oerknal.

In die periode bestond het heelal uit een hete soep van quarks en gluonen – het zogeheten quark-gluonplasma. Toen de temperatuur daalde, smolten deze elementaire deeltjes samen tot de protonen en neutronen die nu de basis vormen van alle atomen. Elk proton en neutron bestaat uit drie quarks, bijeen gehouden door gluonen.

Op de schouders
LEES OOK
Op de schouders

Voordat de hete brij afkoelde en stabiliseerde, botsten de quarks en gluonen regelmatig op elkaar en vormden zo tijdelijk, kortlevende X-deeltjes. De eigenschappen en samenstelling van deze mysterieuze deeltjes proberen natuurkundigen te achterhalen, door het quark-gluonplasma in de LHC uit te pluizen.

Honderd X-deeltjes

Onderzoekers van de Amerikaanse universiteit MIT bestudeerden quark-gluonplasma’s die in 2018 bij miljarden botsingen tussen versnelde loodkernen ontstonden. De tienduizenden deeltjes die bij elke botsing vormden, werden gedetecteerd door de CMS-detector.

Om in deze gigantische zee van metingen X-deeltjes te vinden, maakten de onderzoekers gebruik van kunstmatig intelligente algoritmes. Deze algoritmes trainden ze om de snel uit elkaar vallende X-deeltjes te herkennen. En met succes. Ze vonden honderd X(3872)-deeltjes – het getal verwijst naar de geschatte massa.

In 2003 zagen onderzoekers in het Japanse Belle-experiment – waar versnelde elektronen op anti-elektronen botsen – ook al een hint van X(3872)-deeltjes. Maar destijds vielen de X-deeltjes zo snel uit elkaar dat ze nauwelijks meetbaar waren.

Vier losse of twee paren

Een van de bijzondere eigenschappen van X(3872) is dat het deeltje uit vier quarks lijkt te bestaan. Tot een paar jaar geleden leek het erop dat de natuur enkel deeltjes met twee of met drie quarks leverde.

De vraag is nu of X(3872) een tetraquark is, dat bestaat uit vier quarks. Of dat het een niet eerder waargenomen ‘mesonisch molecuul’ is, dat bestaat uit twee losjes aan elkaar gebonden mesonen – die elk uit twee quarks bestaan. De honderd metingen van X-deeltjes zijn niet voldoende om daar een antwoord op te geven.

‘Dit is nog maar het begin van het verhaal’, zegt hoofdauteur Yen-Jie Lee, natuurkundige van MIT. ‘We hebben laten zien dat we een signaal [van X-deeltjes] kunnen vinden. De komende jaren willen we het quark-gluonplasma gebruiken om de interne structuur van het X-deeltje te onderzoeken. Dat zal onze kennis van de soorten deeltjes die in het vroege heelal werden geproduceerd, vergroten.’