Soms zijn de mooiste ontdekkingen die je niet zocht

Die bekende ervaring: je gaat naar de supermarkt voor melk en komt thuis met een kar vol onverwachte spullen. Natuurkundigen van het Thomas Jefferson National Accelerator Facility hebben zo'n moment meegemaakt — maar dan op deeltjesgebied.

Ze zochten naar een exotisch deeltje genaamd Y(2175). Iets dat onderzoekers al sinds 2006 bezighoudt. In plaats daarvan vonden ze twee nieuwe structuren die niemand had zien aankomen. En eerlijk? dat kan wel eens spannender blijken dan wat ze oorspronkelijk zochten.

"We zochten naar een bevestigde XYZ-kandidaat met een fotonenbundel, maar vonden in plaats daarvan twee andere structuren," vertelde Malte Albrecht, wetenschapper bij Jefferson Lab. "Het is nieuwe informatie."

En "nieuwe informatie" in de fysica betekent meestal: we hebben zojuist een deur opengezet naar iets geweldigs.

Wat zijn XYZ-toestanden eigenlijk?

Hier wordt het pas eens raar. Je herinnert je vast van school dat atomen bestaan uit protonen, neutronen en elektronen. En dat protonen en neutronen weer zijn opgebouwd uit quarks. Simpeler kan niet, toch?

Nou, het universum vond het nodig om het ingewikkelder te maken.

Sommige deeltjes passen gewoon niet in het verhaal dat we dachten te begrijpen. Dit zijn de XYZ-toestanden — een hele familie subatomaire deeltjes die hun eigen regels lijken te volgen. Het zijn niet de typische quark-antiquark-paren (mesonen). Het zijn ook niet de standaard drie-quark-combinaties (zoals protonen en neutronen). Het lijkt iets heel anders te zijn.

Misschien zijn het "hybride" deeltjes met opgewonden gluonen — de deeltjes die quarks bij elkaar houden. Misschien zijn het "tetraquarks" — vier-quark-configuraties die klinken alsof ze uit een sciencefictionfilm komen. Of misschien zijn het dingen die we ons nog niet eens hebben voorgesteld.

"Een van mijn collega's vergeleek het met de jaren vijftig," zei Frank Nerling, fysicus bij het project. "Toen ontdekten onderzoekers plotseling een hele 'zoo' aan deeltjes. Nu zien we iets soortgelijks — een zoo van deze exotische toestanden."

Het Y(2175)-mysterie

Laten we het over Y(2175) hebben. Voor het eerst gespot in 2006 door het BaBar-experiment bij SLAC, dit deeltje houdt onderzoekers al bijna twintig jaar bezig.

Wat is er zo vreemd aan? Om te beginnen leeft het in de "strangeonium"-regio — basically de buurt van deeltjes die vreemde quarks bevatten. Maar Y(2175) gedraagt zich een beetje... vreemd. De kwantumeigenschappen passen niet bij wat we zouden verwachten van een gewoon quark-antiquark-paar.

Het lastige? Telkens wanneer wetenschappers het vonden, gebruikten ze dezelfde methode: elektronen en positronen (hun antideeltjes) op elkaar botsen. Het is alsof je een bepaalde vogel alleen maar in één specifiek bos vindt — je begint je af te vragen of je misschien gewoon mist waar hij anders zou kunnen zijn.

Dat veranderde met het GlueX-experiment bij Jefferson Lab.

Een andere manier van kijken

Hier wordt het echt interessant: de onderzoekers gebruikten een fotonenbundel op een protondoelwit. Terwijl eerdere ontdekkingen van Y(2175) allemaal met elektron-positron-botsingen waren gedaan.

Stel het zo voor: je hebt altijd alleen vierklaverbladeren gevonden door te kijken in zonnige weilanden. Dan besluit iemand om de schaduwrijke bosgrond te controleren en vindt niet alleen meer vierklaverbladeren, maar twee totaal nieuwe soorten die niemand kende.

Zoiets gebeurde hier.

"We zijn in een nieuw tijdperk," merkte Nerling op. En hij heeft gelijk — na decennia waarin het Standaardmodel ons best duidelijke antwoorden gaf over deeltjesgedrag, zwemmen we opeens in exotische deeltjes die niet in onze nette categorieën willen passen.

Waarom zou je je daar druk om maken?

Een eerlijke vraag. De meesten van ons zijn geen deeltjesfysici, en de kans dat dit invloed heeft op je dinsdag is vrij klein.

Maar hierom is het belangrijk: we leren fundamenteel meer over hoe de werkelijkheid werkt op haar meest basale niveau. De sterke kernkracht — een van de vier fundamentele krachten in de natuur — houdt quarks samen om alles te vormen wat we zien. Deze exotische XYZ-toestanden zijn eigenlijk de sterke kracht die showt, structuren creëert die we niet verwachtten.

Elke keer dat we iets ontdekken dat onze modellen uitdaagt, moeten we ons afvragen: Is ons begrip onvolledig? Of is het universum creatiever dan we dachten?

Gebaseerd op deze resultaten? Ik zou inzetten op het universum dat creatiever is.

De jacht gaat door

Dus wat nu? De onderzoekers moeten deze twee nieuwe structuren bevestigen en uitzoeken wat ze precies zijn. Zijn het hybriden? Tetraquarks? Iets heel anders?

Het goede nieuws is dat meerdere detectiemethoden (fotonenbundels én elektron-positron-botsingen) betekenen dat wetenschappers hun bevindingen kunnen vergelijken en een completer beeld kunnen opbouwen. Het is alsof je meerdere getuigen hebt van hetzelfde mysterieuze gebeuren — hoe meer perspectieven, hoe duidelijker het verhaal wordt.

En eerlijk? Ik vind het geweldig dat deze fysici op iets onverwachts stuitten. Wetenschap volgt zelden een rechte lijn van vraag naar antwoord. De beste ontdekkingen komen vaak voort uit open ogen wanneer het universum je verrast.

Malte Albrecht verwoordde het perfect: "Het is nieuwe informatie."

Nieuwe informatie dus. En in een vakgebied waar we voortdurend worden herinnerd aan hoeveel we nog niet begrijpen, voelt dat als een heel mooi begin.