Natuurkundigen bij de Beijing Spectrometer III in Peking hebben sterk bewijs geleverd voor het bestaan van een glueball, een hypothetisch subatomair deeltje. Waar normale materie (zoals protonen en neutronen) bestaat uit quarks die door gluonen bij elkaar worden gehouden, bestaat een glueball bijna volledig uit gebonden gluonen.
Het specifieke deeltje X(2370) vertoont eigenschappen die exact overeenkomen met de voorspellingen van de quantumchromodynamica (QCD), waaronder de massa, spin en het gedrag als een 'flavor singlet'. Hoewel het deeltje naar schatting voor 90% uit gluonen bestaat — omdat volledige zuiverheid theoretisch onmogelijk is door menging met quarks — wordt dit resultaat gezien als een monumentale triomf in de fundamentele fysica.
Zie de 'glueball', een vreemde nieuwe vorm van materie
Al meer dan een halve eeuw zoeken natuurkundigen naar een van de vreemdste deeltjes die door de moderne theorie worden voorspeld. Dit deeltje zou bijna volledig bestaan uit gluonen: de ongrijpbare subatomaire deeltjes die de sterke kernkracht overbrengen. Nu melden onderzoekers dat zij, met behulp van een deeltjesversneller in Peking, het bestaan van zo'n "glueball" effectief hebben bewezen.
In een preprint die vorige maand op arXiv werd geplaatst en in een presentatie tijdens de International Conference on High Energy Physics (ICHEP), betogen de onderzoekers dat een deeltje genaamd X(2370) de eigenschappen bezit die worden verwacht van een glueball. Dit deeltje werd geproduceerd door elektronen met hoge energie op positronen te laten botsen.
"Het is een experimentele triomf," zegt Colin Morningstar, een natuurkundige aan de Carnegie Mellon University die niet betrokken was bij het onderzoek. "Het is het sterkste bewijs tot nu toe dat deeltjes die gedomineerd worden door een glueball-component in de natuur kunnen voorkomen."
Wat is een glueball?
Materie is als een Russische pop (matroesjka). Moleculen bestaan uit atomen, atomen uit elektronen en kernen, en kernen uit protonen en neutronen. Protonen en neutronen bestaan op hun beurt weer uit quarks die bij elkaar worden gehouden door een zwerm gluonen.
Een glueball is anders: het is een deeltje waarvan de massa bijna volledig voortkomt uit gluonen die aan elkaar gebonden zijn, met weinig of geen quark-inhoud.
De theoretische basis: Quantumchromodynamica
De meeste krachtoverbrengende deeltjes negeren elkaar grotendeels. Fotonen brengen bijvoorbeeld de elektromagnetische kracht over, maar reageren niet gemakkelijk met elkaar omdat ze geen elektrische lading hebben. In tegenstelling hiermee bezitten gluonen een lading voor de sterke kernkracht, waardoor ze elkaar krachtig aantrekken en aan elkaar kunnen binden. Dit is volgens de quantumchromodynamica (QCD) — de theorie die deze kracht beschrijft — mogelijk.
De uitdaging is dat glueballs kunnen mengen met gewone deeltjes die bestaan uit quarks en antiquarks. In plaats van te verschijnen als volledig nieuwe deeltjes, kunnen ze hybriden zijn met zowel quark- als gluoncomponenten.
Het onderzoek bij de Beijing Spectrometer III
De Beijing Spectrometer III, die elektronen-positronbotsingen detecteert bij het Institute of High Energy Physics, is specifiek ontworpen om naar glueballs te zoeken. Volgens Shan Jin, een natuurkundige aan de Nanjing University en een van de leiders van de nieuwe analyse van X(2370), produceert de versneller enorme hoeveelheden van een deeltje genaamd J/Ψ (voor het eerst geïdentificeerd in 1974). De vervalproducten van J/Ψ worden beschouwd als een "gouden plek" om naar glueballs te zoeken, omdat ze zeer rijk zijn aan gluonen.
De samenwerking ontdekte X(2370) voor het eerst in 2011. Sindsdien hebben de onderzoekers enkele eigenschappen van het deeltje geïdentificeerd en deze vergeleken met de theoretische voorspellingen van QCD voor een lichtgewicht soort glueball. In 2024 toonden zij aan dat de massa en de quantumidentiteit — inclusief de spin en andere symmetrie-eigenschappen — consistent waren met de QCD.
Nieuwe bewijzen: De 'flavor singlet'
Het nieuwe onderzoek, gebaseerd op meer dan 10 miljard J/Ψ-vervalgebeurtenissen, voegt een nieuw bewijsstuk toe. De onderzoekers ontdekten dat X(2370) zich gedraagt als een "flavor singlet". Dit betekent dat het deeltje zich op een vergelijkbare manier bindt aan deeltjes die verschillende typen of 'flavors' (smaken) quarks bevatten.
Omdat gluonen gelijkwaardig interageren met alle quark-flavors, wordt dit gedrag al lange tijd beschouwd als een kenmerk van glueballs. Morningstar stelt dat de samenwerking X(2370) nu succesvol heeft gekoppeld aan de drie belangrijkste verwachte eigenschappen van een glueball. "Dit is waarschijnlijk zo dichtbij als we kunnen komen," zegt hij.
Conclusies en toekomstperspectief
Jin schat dat X(2370) voor ongeveer 90% uit gluonen bestaat. William Detmold, een kernfysicus aan het Massachusetts Institute of Technology, voegt toe dat dit verwacht is. "Je kunt nooit zeggen dat een toestand puur gluonisch is," aldus Detmold. "Het kan echter zeker gedomineerd worden door de gluonische structuur." Hij merkt op dat de geschiedenis van de zoektocht naar glueballs lang is geweest en meestal onbeslist bleef, maar dat dit nieuwe resultaat "alle vakjes afvinkt".
Idealiter zouden andere onderzoekers de resultaten kunnen verifiëren met onafhankelijke experimenten. Jin geeft echter aan dat dit jaren kan duren, omdat de versneller in Peking de enige machine ter wereld is die specifiek is gewijd aan het zoeken naar glueballs.
Toch is de ontdekking een monumentale prestatie voor de fundamentele fysica en voor de onderzoekers die hun carrière hebben besteed aan de jacht op glueballs. Jin vertelt dat sommige aanwezigen na zijn presentatie op het ICHEP hem benaderden voor een handtekening. "Dat gebeurt bij filmsterren, nooit bij natuurkundigen," grapt hij.
Zie de 'glueball', een vreemde nieuwe vorm van materie
Al meer dan een halve eeuw zoeken natuurkundigen naar een van de vreemdste deeltjes die door de moderne theorie worden voorspeld. Dit deeltje zou bijna volledig bestaan uit gluonen: de ongrijpbare subatomaire deeltjes die de sterke kernkracht overbrengen. Nu melden onderzoekers dat zij, met behulp van een deeltjesversneller in Peking, het bestaan van zo'n "glueball" effectief hebben bewezen.
In een preprint die vorige maand op arXiv werd geplaatst en in een presentatie tijdens de International Conference on High Energy Physics (ICHEP), betogen de onderzoekers dat een deeltje genaamd X(2370) de eigenschappen bezit die worden verwacht van een glueball. Dit deeltje werd geproduceerd door elektronen met hoge energie op positronen te laten botsen.
"Het is een experimentele triomf," zegt Colin Morningstar, een natuurkundige aan de Carnegie Mellon University die niet betrokken was bij het onderzoek. "Het is het sterkste bewijs tot nu toe dat deeltjes die gedomineerd worden door een glueball-component in de natuur kunnen voorkomen."
Wat is een glueball?
Materie is als een Russische pop (matroesjka). Moleculen bestaan uit atomen, atomen uit elektronen en kernen, en kernen uit protonen en neutronen. Protonen en neutronen bestaan op hun beurt weer uit quarks die bij elkaar worden gehouden door een zwerm gluonen.
Een glueball is anders: het is een deeltje waarvan de massa bijna volledig voortkomt uit gluonen die aan elkaar gebonden zijn, met weinig of geen quark-inhoud.
De theoretische basis: Quantumchromodynamica
De meeste krachtoverbrengende deeltjes negeren elkaar grotendeels. Fotonen brengen bijvoorbeeld de elektromagnetische kracht over, maar reageren niet gemakkelijk met elkaar omdat ze geen elektrische lading hebben. In tegenstelling hiermee bezitten gluonen een lading voor de sterke kernkracht, waardoor ze elkaar krachtig aantrekken en aan elkaar kunnen binden. Dit is volgens de quantumchromodynamica (QCD) — de theorie die deze kracht beschrijft — mogelijk.
De uitdaging is dat glueballs kunnen mengen met gewone deeltjes die bestaan uit quarks en antiquarks. In plaats van te verschijnen als volledig nieuwe deeltjes, kunnen ze hybriden zijn met zowel quark- als gluoncomponenten.
Het onderzoek bij de Beijing Spectrometer III
De Beijing Spectrometer III, die elektronen-positronbotsingen detecteert bij het Institute of High Energy Physics, is specifiek ontworpen om naar glueballs te zoeken. Volgens Shan Jin, een natuurkundige aan de Nanjing University en een van de leiders van de nieuwe analyse van X(2370), produceert de versneller enorme hoeveelheden van een deeltje genaamd J/Ψ (voor het eerst geïdentificeerd in 1974). De vervalproducten van J/Ψ worden beschouwd als een "gouden plek" om naar glueballs te zoeken, omdat ze zeer rijk zijn aan gluonen.
De samenwerking ontdekte X(2370) voor het eerst in 2011. Sindsdien hebben de onderzoekers enkele eigenschappen van het deeltje geïdentificeerd en deze vergeleken met de theoretische voorspellingen van QCD voor een lichtgewicht soort glueball. In 2024 toonden zij aan dat de massa en de quantumidentiteit — inclusief de spin en andere symmetrie-eigenschappen — consistent waren met de QCD.
Nieuwe bewijzen: De 'flavor singlet'
Het nieuwe onderzoek, gebaseerd op meer dan 10 miljard J/Ψ-vervalgebeurtenissen, voegt een nieuw bewijsstuk toe. De onderzoekers ontdekten dat X(2370) zich gedraagt als een "flavor singlet". Dit betekent dat het deeltje zich op een vergelijkbare manier bindt aan deeltjes die verschillende typen of 'flavors' (smaken) quarks bevatten.
Omdat gluonen gelijkwaardig interageren met alle quark-flavors, wordt dit gedrag al lange tijd beschouwd als een kenmerk van glueballs. Morningstar stelt dat de samenwerking X(2370) nu succesvol heeft gekoppeld aan de drie belangrijkste verwachte eigenschappen van een glueball. "Dit is waarschijnlijk zo dichtbij als we kunnen komen," zegt hij.
Conclusies en toekomstperspectief
Jin schat dat X(2370) voor ongeveer 90% uit gluonen bestaat. William Detmold, een kernfysicus aan het Massachusetts Institute of Technology, voegt toe dat dit verwacht is. "Je kunt nooit zeggen dat een toestand puur gluonisch is," aldus Detmold. "Het kan echter zeker gedomineerd worden door de gluonische structuur." Hij merkt op dat de geschiedenis van de zoektocht naar glueballs lang is geweest en meestal onbeslist bleef, maar dat dit nieuwe resultaat "alle vakjes afvinkt".
Idealiter zouden andere onderzoekers de resultaten kunnen verifiëren met onafhankelijke experimenten. Jin geeft echter aan dat dit jaren kan duren, omdat de versneller in Peking de enige machine ter wereld is die specifiek is gewijd aan het zoeken naar glueballs.
Toch is de ontdekking een monumentale prestatie voor de fundamentele fysica en voor de onderzoekers die hun carrière hebben besteed aan de jacht op glueballs. Jin vertelt dat sommige aanwezigen na zijn presentatie op het ICHEP hem benaderden voor een handtekening. "Dat gebeurt bij filmsterren, nooit bij natuurkundigen," grapt hij.
Groetjes,