Ny form for stof opdaget ved CERN

Det er ikke just hverdagskost, at en helt ny klasse af partikler bliver opdaget, men det er lige sket på det europæiske forskningscenter CERN i Schweiz.

Her har de forskere, der analyserer data fra detektoren LHCb i den enorme partikelaccelerator LHC, fundet spor efter partikler, der kaldes pentakvarker. Det fremgår af en pressemeddelelse fra CERN.

En pentakvark er en partikel, der består af fem kvarker - eller mere præcist fire kvarker og en antikvark.

»Det er en fantastisk opdagelse, for det er jo noget, man har været på jagt efter i mange år,« siger Thomas Aaby Ryttov, der er lektor ved partikelfysikcenteret CP3-Origins på Syddansk Universitet.

»Opdagelsen kommer lidt uventet - det var en overraskelse, selv om eksistensen af pentakvarker har været forudsagt længe. Men nu er den her altså, som en slags sidegevinst på CERN.«

Ikke som normalt stof

Det almindelige stof omkring os består af atomer, hvor atomkernerne er sammensat af protoner og neutroner. Disse kernepartikler består af to forskellige typer kvarker, der kaldes up-kvarker og down-kvarker. En proton har to up-kvarker og en down-kvark, mens en neutron har en up-kvark og to down-kvarker.

Kvarker er bundet tæt sammen, fordi kraftpartikler kaldet gluoner holder sammen på dem. En fysikteori kaldet kvantekromodynamik beskriver, hvordan det foregår.

I beskrivelsen af almindeligt, stabilt stof er det nok med to forskellige kvarker, men eksperimenter har vist, at der findes flere. Der er seks i alt - up, down, charm, strange, top og bottom - som kan arrangere sig på forskellige måder.

Kvarkerne kan enten gå sammen to og to som en kvark og en antikvark og danne partikler kaldet mesoner, eller de kan danne baryoner, der består af tre kvarker. Protoner og neutroner er således baryoner.

Fem i én

Det store spørgsmål er så, om kvarker også kan danne andre former for partikler, hvor der indgår flere end tre kvarker - for eksempel fire eller fem.

Rent teoretisk tillader kvantekromodynamikken eksistensen af pentakvarker bestående af fem kvarker, men indtil nu har der ikke være noget bevis for, at de findes.

Nu ligger beviset her så, for på CERN har de opdaget to varianter af pentakvarker, der består af to up-kvarker, en down-kvark, en charm-kvark og en anti-charm-kvark.

Pentakvarkerne blev fundet, da fysikerne undersøgte, hvordan en velkendt slags baryoner kaldet lambda-b henfalder. Dataene så lidt usædvanlige ud, og de viste sig altså at gemme på de kortlivede pentakvarker, der lynhurtigt henfalder til andre partikler.

Tæt eller løst forbundne?

»Der er ingen tvivl om, at de fem kvarker eksisterer sammen som en partikel. Så er spørgsmålet, i hvilken form de eksisterer, og det er næsten det mest spændende,« fortæller Thomas Aaby Ryttov.

»Skal man se på systemet som fem kvarker, der er bundet tæt sammen, eller er det en slags kvark-molekyle, hvor en meson og en baryon er bundet løsere sammen?«

Netop dette vigtige spørgsmål lader sig ikke afgøre af de data, som forskerne hidtil har indsamlet fra LHCb-detektoren. Men nu er LHC-acceleratoren kommet op i fart efter en stor opgradering, så forskerne håber på, at nye data kan afgøre sagen.

Kvarker holder sammen

Når fysikerne har fundet ud af, præcis hvordan kvarkerne samler sig til en partikel, kan de få et bedre indblik i, hvordan kvantekromodynamikken fungerer, siger Thomas Aaby Ryttov:

»Nu har vi lært, at pentakvarkerne findes, og så skal vi finde ud af, hvordan kvarkerne holder sammen.«

»Kvantekromodynamikken er den teori, der fundamentalt set beskriver den stærke vekselvirkning, men den teori har nogle egenskaber, som vi ikke fuldt ud forstår endnu - der er nogle fænomener, som vi ikke har en fuld forståelse af.«

»Her kan studiet af pentakvarkerne måske hjælpe og for eksempel fortælle noget om, hvorfor kvarkerne insisterer på at holde sammen i grupper - hvorfor de så at sige gerne vil holdes fanget og ikke optræder solo. Det er noget af det, vi ikke har fuldstændig tjek på.«

Neutronstjerner og ny fysik

En bedre forståelse af kvarkernes opførsel vil både kunne bruges i beskrivelsen af kendte fænomener og i udviklingen af nye fysikteorier.

»For eksempel vil astrofysikere gerne vide, hvad der sker, når stjerner kollapser og bliver til neutronstjerner, hvor stoffet er pakket utrolig tæt sammen. Man kunne godt forestille sig, at der opstår pentakvarker i den forbindelse,« lyder det fra Thomas Aaby Ryttov, der slutter:

»Vi kan også bruge en bedre forståelse af kvantekromodynamikken til at lære noget mere generelt om den type af systemer, vi kalder for stærkt koblede, og det kan bruges i jagten på ny fysik. Her på CP3-Origins prøver vi at udvikle en endnu mere fundamental teori for elementarpartikler, der holdes sammen af en ny form for stærk vekselvirkning, og her vil det hjælpe, hvis vi forstår kvantekromodynamik bedre.«