fran_kie/Shutterstock
Natuurkundigen in Cern hebben de afgelopen jaren een overvloed aan nieuwe exotische deeltjes ontdekt die ontstaan bij de botsingen die door de Large Hadron Collider worden geproduceerd. Er zijn er zelfs zoveel gevonden dat onze samenwerking (LHCb), die 59 van de 66 recente deeltjes heeft ontdekt, met een nieuw naamgevingsschema is gekomen om ons te helpen enige orde aan te brengen in de groeiende deeltjeszoo
Deeltjesfysici hebben een nogal bewogen geschiedenis als het gaat om het benoemen van dingen. Naarmate er in de loop van de 20e eeuw meer en meer deeltjes werden ontdekt, werd de nomenclatuur steeds verwarrender. In de groep van leptonen hebben we bijvoorbeeld elektronen, muonen en dan tauonen, maar geen tauonen.
En toen twee rivaliserende teams het in de jaren zeventig niet eens konden worden over de vraag of een nieuw deeltje bestaande uit twee quarks (de kleinste bouwstenen van materie) dat zij zojuist hadden ontdekt J of ψ (psi) moest heten, hebben zij uiteindelijk de twee namen onhandig door elkaar gehusseld om J/ψ te krijgen.
Tot op de dag van vandaag zijn natuurkundigen het er niet over eens of ze het vijfde zwaarste quark “bottom” of “beauty” moeten noemen – en daarom gebruiken ze de twee door elkaar. En dan hebben we het nog niet eens over het verschrikkelijk genaamde bestiarium van deeltjes dat wordt voorspeld door de theorie die bekend staat als “supersymmetrie”, die suggereert dat elk deeltje dat we kennen ook een (nog niet ontdekte) superpartner heeft: sstrange [sic], squark, smuon of gluino iemand? Eerlijk gezegd is het maar goed dat ze niet lijken te bestaan.
Complexe hadronen
De LHC is een schatkamer geweest voor nieuwe soorten deeltjes, hadronen genaamd. Dit zijn subatomaire deeltjes gemaakt van twee of meer quarks. Gewoonlijk zijn er twee soorten. Baryonen, zoals de protonen en neutronen waaruit de atoomkern bestaat, zijn gemaakt van drie quarks. Mesonen daarentegen bestaan uit een quark gekoppeld aan een antiquark (elk fundamenteel deeltje heeft een antideeltje met dezelfde massa maar tegengestelde lading).
Hoewel er slechts zes verschillende soorten quarks zijn, en slechts vijf daarvan hadronen vormen, zijn er een enorm aantal mogelijke combinaties. In de jaren ’80 bedachten deeltjesfysici een naamgevingsschema voor de hadronzoo, met een symbool voor elk deeltje dat het gemakkelijk maakte de quarkinhoud ervan te onderscheiden, zoals de Griekse letter Π (pi) om pionen, de lichtste mesonen, aan te duiden.
Tot voor kort pasten alle nieuw ontdekte deeltjes mooi in dat schema als ofwel baryonen ofwel mesonen. Maar uiteindelijk realiseerden wetenschappers zich dat er ook ingewikkeldere hadronen met meer dan drie quarks mogelijk konden zijn: zogenaamde tetraquarks, samengesteld uit twee quarks en twee antiquarks; en pentaquarks, samengesteld uit vier quarks en één antiquark (of omgekeerd).
De eerste duidelijke tetraquark kandidaten werden ontdekt door de Belle en BESIII samenwerkingen, en gelabeld als Zc toestanden (dit was een willekeurige keuze, X en Y waren al gebruikt om andere toestanden te labelen). Dit werd gevolgd door de spectaculaire ontdekking van pentaquark toestanden, gelabeld Pc, door de LHCb samenwerking. Sinds ongeveer 2019 is het tempo van de ontdekkingen versneld, waarbij namen als X, Zcs, Pcs en Tcc min of meer ad hoc werden toegekend, wat leidde tot een alfabetsoep van deeltjes.
Het ontbreken van logica in de namen die aan de nieuwe deeltjes werden gegeven, leidde, wellicht onvermijdelijk, tot enige verwarring. Een bijzonder probleem was dat het subscript “c” in de Zc- en Pc-symbolen moest impliceren dat deze hadronen zowel charme- als anticharm-quarks bevatten (soms “verborgen charme” genoemd). Daarentegen impliceert het subscript “s” in de Zcs- en Pcs-symbolen dat deze hadronen ook een vreemd quark bevatten (“open vreemdheid”). Dus hoe moeten toestanden die zowel open charme (alleen een charme-quark) als vreemdheid bevatten, zoals onlangs gevonden door de LHCb-samenwerking, dan worden genoemd?
Recent ontdekte deeltjes bekend als pentaquark.
Dominguez, Daniel/Cern, CC BY-NC
Omdat het scala aan nieuwe toestanden en hun toegekende namen nog verwarrender dreigde te worden, besloten wij en collega’s in de LHCb-samenwerking dat het tijd was om te proberen enige schijn van orde te herstellen – in ieder geval voor de nieuw ontdekte deeltjes. Ons nieuwe naamgevingsschema volgt enkele leidende principes. Ten eerste moet het basisidee eenvoudig genoeg zijn voor niet-experts om te kunnen volgen, met als basissymbool T voor tetraquarks en P voor pentaquarks.
Het schema moet het ook mogelijk maken alle mogelijke combinaties te onderscheiden; dit gebeurt door toevoeging van superscripts en subscripts aan de basis om aan te geven van welke quarks elk deeltje is gemaakt en andere quantum-informatie. Maar deze moeten consistent zijn met het bestaande schema voor conventionele mesonen en baryonen – bereikt door hergebruik van bestaande symbolen.
De huidige namen voor exotische hadronen zouden echter moeten worden veranderd. Bijvoorbeeld, de hierboven genoemde Zcs- en Pcs-toestanden zullen respectievelijk Tψs en Pψs gaan heten (het J/ψ-deeltje bevat verborgen charme), waarbij het probleem van het onderscheid tussen verborgen en open charme wordt opgelost door ψ te hergebruiken voor de eerste en c voor de tweede.
Het laatste leidende principe achter het schema is dat het geaccepteerd moet worden door de bredere deeltjesfysica gemeenschap. Hoewel de LHCb-samenwerking de meeste nieuwe deeltjes heeft ontdekt, wat ons traditioneel enig naamrecht geeft, zijn er nog andere lopende en geplande experimenten op dit gebied, en hun bijdragen zijn essentieel voor de vooruitgang van het vakgebied. Er zijn natuurlijk ook veel theoretici over de hele wereld die hard werken aan de interpretatie van de metingen die worden verricht.
Zowel de algemene principes als de details van het nieuwe naamgevingsschema zijn met deze verschillende groepen besproken, waarbij positieve en constructieve feedback in onze definitieve versie is verwerkt.
Een naamgevingsschema is een belangrijk onderdeel van de taal die gebruikt wordt om te communiceren tussen mensen die werkzaam zijn in de deeltjesfysica. Wij hopen dat dit nieuwe schema zal helpen bij de voortdurende zoektocht om te begrijpen hoe de zogenaamde sterke kracht bijvoorbeeld quarks binnen hadronen opsluit – een eigenschap die diep wiskundig begrip tart.
Nieuwe experimentele resultaten, waaronder de ontdekking van nieuwe hadronen, voeden de verbetering van het theoretische begrip. Verdere ontdekkingen zouden op een dag tot een doorbraak kunnen leiden. Maar uiteindelijk zal het succes van het nieuwe schema worden afgemeten aan hoe vaak in gesprekken de zin voorkomt: “Help me even herinneren, welke is dat ook alweer?”
Harry Cliff ontvangt financiering van de Science and Technology Facilities Council (UK).
t.j.gershon@warwick.ac.uk ontvangt financiering van de Science and Technology Facilities Council (UK).