Natuurkundigen van de Large Hadron Collider (LHC) van CERN hebben het bestaan bevestigd van een nieuw, zwaarder familielid van het proton, genaamd Ξcc⁺ (Xi-double-charm-plus). Deze ontdekking biedt wetenschappers een nieuw perspectief op de sterke kracht – de fundamentele interactie die materie op het meest basale niveau bij elkaar houdt.
Wat zijn quarks en waarom zijn ze belangrijk?
De kern van deze ontdekking ligt in quarks, de elementaire deeltjes die protonen, neutronen en alle andere samengestelde deeltjes in het universum vormen. Er zijn zes bekende soorten quarks: up, down, charm, weird, top en bottom. Quarks bestaan zelden geïsoleerd; ze combineren om hadronen te creëren, waaronder bekende deeltjes zoals protonen en neutronen.
De meeste hadronen zijn onstabiel en vervallen vrijwel onmiddellijk na vorming. De LHC is ontworpen om deze vluchtige deeltjes te creëren door bundels van hoogenergetische protonen met elkaar in botsing te brengen. De vervalproducten, die stabiel genoeg zijn om te meten, onthullen de eigenschappen van de oorspronkelijke, kortlevende hadron.
Een tweede Baryon met dubbele charme
De nieuw ontdekte Ξcc⁺ bevat twee charm-quarks en één down-quark. Dit maakt het een ‘baryon’ (een drie-quarkdeeltje) met een ongebruikelijke samenstelling. Het is pas de tweede baryon waarvan is waargenomen dat deze twee zware quarks bevat (in dit geval charm-quarks). Het eerste dergelijke deeltje werd bijna tien jaar geleden gedetecteerd door het LHCb-experiment.
De LHCb-samenwerking observeerde het nieuwe deeltje met een statistische significantie van 7 sigma – ver boven de drempel van 5 sigma voor een bevestigde ontdekking. Dit betekent dat de kans dat het signaal een willekeurige fluctuatie is, uiterst klein is.
Waarom deze ontdekking belangrijk is
Het bestaan van Ξcc⁺ helpt ons begrip van kwantumchromodynamica (QCD), de theorie die de sterke kracht regeert, te verfijnen. QCD voorspelt niet alleen het bestaan van gewone hadronen, maar ook van meer exotische combinaties, zoals tetraquarks (vier quarks) en pentaquarks (vijf quarks).
Met dit nieuwe deeltje kunnen theoretici QCD-modellen rigoureuzer testen. Het lijkt op een deeltje dat in 2017 werd ontdekt en dat twee charm-quarks en een up-quark bevat in plaats van een down-quark. Ondanks deze gelijkenis wordt voorspeld dat het nieuwe deeltje tot zes keer sneller zal vervallen als gevolg van subtiele kwantumeffecten, waardoor het nog moeilijker te detecteren is.
Upgrades leiden tot doorbraken
De ontdekking werd gedaan met behulp van gegevens uit de derde run van de LHC, na aanzienlijke upgrades van de LHCb-detector in 2023. CERN-directeur-generaal Mark Thomson benadrukte de cruciale rol van deze upgrades bij het mogelijk maken van nieuwe ontdekkingen.
Dit belangrijke resultaat is een fantastisch voorbeeld van hoe de unieke capaciteiten van de LHCb een cruciale rol spelen in het succes van de LHC.
De bevinding vormt de basis voor verder onderzoek met de High-Luminosity LHC, die het aantal deeltjesbotsingen zal verhogen en natuurkundigen in staat zal stellen de fundamentele krachten van de natuur met ongekende precisie te onderzoeken.
In wezen voegt de ontdekking van Ξcc⁺ niet alleen maar een nieuw item toe aan de deeltjescatalogus; het verscherpt ons begrip van de meest fundamentele interacties van het universum.
