Natuurkundigen van ’s werelds grootste atoomvernietiger hebben een mysterieus, oerdeeltje uit het begin der tijden ontdekt.
Ongeveer 100 van de kortlevende “X”-deeltjes – zo genoemd vanwege hun onbekende structuren – werden voor het eerst gezien te midden van triljoenen andere deeltjes in de Large Hadron Collider (LHC), ’s werelds grootste deeltjesversneller, gelegen nabij Genève bij CERN (de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek).
Deze X-deeltjes, die waarschijnlijk in de kleinste fracties van een seconde na de Oerknalwerden gedetecteerd in een kokende bouillon van elementaire deeltjes een quark-gluon genoemd plasmagevormd in de LHC door samen te breken lood ionen. Door de oer-X-deeltjes in meer detail te bestuderen, hopen wetenschappers een zo nauwkeurig mogelijk beeld te krijgen van de oorsprong van het heelal. Ze publiceerden hun bevindingen in januari. 19 in het journaal Fysieke beoordelingsbrieven.
Verwant: Beyond Higgs: 5 ongrijpbare deeltjes die op de loer kunnen liggen in het universum
“Dit is nog maar het begin van het verhaal”, hoofdauteur Yen-Jie Lee, een lid van CERN’s CMS-samenwerking en een experimentele deeltjesfysicus aan het Massachusetts Institute of Technology, zei in een verklaring. “We hebben laten zien dat we een signaal kunnen vinden. De komende jaren willen we het quark-gluon-plasma gebruiken om de interne structuur van het X-deeltje te onderzoeken, wat onze kijk zou kunnen veranderen op wat voor soort materiaal het universum zou moeten produceren.”
Wetenschappers traceren de oorsprong van X-deeltjes tot slechts een paar miljoenste van een seconde na de oerknal, toen het universum een oververhitte plasmasoep van biljoenen graden was die wemelde van quarks en gluonen – elementaire deeltjes die al snel afkoelden en samengingen tot de stabielere protonen en neutronen die we vandaag kennen.
Vlak voor deze snelle afkoeling botste een klein deel van de gluonen en de quarks en plakten ze aan elkaar om zeer kortlevende X-deeltjes te vormen. De onderzoekers weten niet hoe elementaire deeltjes zichzelf configureren om de structuur van het X-deeltje te vormen. Maar als de wetenschappers dat kunnen achterhalen, zullen ze een veel beter begrip hebben van de soorten deeltjes die overvloedig aanwezig waren tijdens de vroegste momenten van het universum.
Om de omstandigheden van een heelal in zijn kinderschoenen na te bootsen, schoten onderzoekers van de LHC positief opgeladen lood atomen met hoge snelheid op elkaar inslaan en ze verpletteren om duizenden meer deeltjes te produceren in een kortstondige uitbarsting van plasma die lijkt op de chaotische oersoep van het jonge universum. Dat was het makkelijke gedeelte. Het moeilijkste was het doornemen van gegevens van 13 miljard frontale ionenbotsingen om de X-deeltjes te vinden.
“Theoretisch gezien zijn er zoveel quarks en gluonen in het plasma dat de productie van X-deeltjes zou moeten worden verbeterd,” zei Lee. “Maar mensen dachten dat het te moeilijk zou zijn om ze te zoeken, omdat er zoveel andere deeltjes in deze kwarksoep worden geproduceerd.”
Maar de onderzoekers hadden wel een handige aanwijzing om mee te werken. Hoewel deeltjesfysici de structuur van het X-deeltje niet kennen, weten ze wel dat het een heel duidelijk vervalpatroon zou moeten hebben, omdat de “dochter”-deeltjes die het maakt, over een heel andere spreiding van hoeken zouden moeten afritsen dan die van andere deeltjes. Met deze kennis konden de onderzoekers een algoritme produceren dat de veelbetekenende tekens van tientallen X-deeltjes uitpikte.
“Het is bijna ondenkbaar dat we deze 100 deeltjes uit deze enorme dataset kunnen halen”, zei co-auteur Jing Wang, een natuurkundige aan het MIT, in de verklaring. “Elke avond vroeg ik me af, is dit echt een signaal of niet? En uiteindelijk zeiden de gegevens ja!”
Nu de onderzoekers de signatuur van het X-deeltje hebben geïdentificeerd, kunnen ze de interne structuur ervan bepalen. Protonen en neutronen zijn opgebouwd uit drie nauw verbonden quarks, maar de onderzoekers denken dat het X-deeltje er totaal anders uit zal zien. Ze weten op zijn minst dat het nieuwe deeltje vier quarks bevat, maar ze weten niet hoe ze zijn vastgebonden. Het nieuwe deeltje zou kunnen bestaan uit vier quarks die even stevig aan elkaar zijn gebonden, waardoor het een exotisch deeltje wordt dat een tetraquark wordt genoemd, of twee quarkparen – mesonen genaamd – die losjes aan elkaar zijn gebonden.
“Momenteel zijn onze gegevens consistent met beide [structures] Omdat we nog niet genoeg statistieken hebben, “zei Lee. “In de komende jaren zullen we veel meer gegevens verzamelen, zodat we deze twee scenario’s kunnen scheiden. Dat zal onze kijk op de soorten deeltjes die in het vroege heelal overvloedig werden geproduceerd, verruimen.”
Oorspronkelijk geplaatst op WordsSideKick.com.
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”