Natuurkundigen zijn al tientallen jaren bezig met het nauwgezet ordenen van hun steeds groeiende collectie subatomaire deeltjes, maar sommige nieuwkomers weigeren netjes in de daarvoor bestemde vakjes te passen. Onderzoekers van het Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben nu bewijs gevonden voor twee onverwachte structuren die mogelijk wat orde in de chaos kunnen scheppen.

De signalen zouden licht kunnen werpen op XYZ-toestanden - een raadselachtige groep objecten die niet past in het conventionele beeld van deeltjes die zijn opgebouwd uit quarks, de fundamentele bouwstenen van materie. Voor het eerst detecteerden onderzoekers van Jefferson Lab twee van dergelijke signalen toen een bundel hoogenergetische fotonen een proton-doelwit raakte.

De bevindingen komen van de Gluonic Excitations (GlueX) Collaboration in Experimental Hall D van Jefferson Lab en zijn onlangs gepubliceerd in Physical Review Letters. De resultaten zouden wetenschappers kunnen helpen begrijpen hoe een van de fundamentele krachten van de natuur bijdraagt aan het vormen van materie.

"We gingen op zoek naar een bevestigde XYZ-kandidaat met een fotonenbundel, maar vonden in plaats daarvan twee andere structuren," zei Malte Albrecht, een stafwetenschapper bij Jefferson Lab. "Het is nieuwe informatie." Vertaling: ze mikten op één exotisch deeltje en ontdekten per ongeluk twee extra's, wat óf een enorme overwinning is, óf een kosmische grap.

Sinds de jaren vijftig hebben botsingsexperimenten met hoge energie een ware dierentuin van subatomaire deeltjes blootgelegd, hadronen genaamd, die samengestelde deeltjes zijn die bestaan uit twee of meer quarks die bij elkaar worden gehouden door de sterke kernkracht. Bekende voorbeelden zijn protonen en neutronen, die elk drie quarks bevatten (hoewel die al lang daarvoor bekend waren). Onder de nieuwkomers bevonden zich kortlevende deeltjes, mesonen genaamd, doorgaans een quark gepaard met zijn antimaterie-tegenhanger, het antiquark.

In 1964 introduceerden natuurkundigen het quarkmodel om orde te scheppen in deze gebonden toestanden. De vroegste versie had drie quark-"smaken": up, down en strange. Up- en down-quarks vormen bijvoorbeeld protonen en neutronen; up, down en strange zijn de drie lichtste quarktypen. Toen verscheen in 1974 het zwaardere charm-quark en gooide roet in het eten - maar hielp ook bij het opbouwen van het raamwerk dat het Standaardmodel werd, de brede theorie die elementaire deeltjes en fundamentele krachten beschrijft, terwijl het het bekende spectrum van hadronische structuren uitbreidde.

Naarmate versnellers krachtiger werden en detectoren gevoeliger, begonnen onderzoekers subtielere processen te zien. Na 2000 begonnen experimenten hadronen te onthullen met kwantumeigenschappen die niet pasten in het oorspronkelijke quarkmodel. De ontdekkingen stapelden zich zo snel op dat natuurkundigen het label XYZ-toestanden op veel van deze slecht begrepen deeltjes plakten.

"We bevinden ons hier in een nieuw tijdperk, vergelijkbaar met meer dan 70 jaar geleden," zei Frank Nerling, een Jefferson Lab-medewerker van het Duitse GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research en de Goethe Universiteit Frankfurt. "Eerst werd een dierentuin van hadronen ontdekt. Nu worden we geconfronteerd met een dierentuin van zogenaamde exotische toestanden."

Hadronen die een charm-quark en zijn anticharm-partner bevatten, bevinden zich in een massaregio die charmonium wordt genoemd; deeltjes met strange- en anti-strange-quarks bevolken strangeonium. Veel XYZ-toestanden zijn in deze sectoren waargenomen. In 2006 rapporteerden onderzoekers van het BaBar-experiment bij SLAC National Accelerator Laboratory van het DOE een mogelijke strangeonium-toestand met een massa van ongeveer 2,16 miljard elektronvolt (2,16 GeV), en noemden die Y(2175). BaBar creëerde Y(2175) door elektronen en positronen te laten botsen (e+e- annihilatie). Y(2175) vertoonde kwantumgedrag dat moeilijk te verklaren is als een gewoon quark-antiquark-paar - het zou een hybride toestand kunnen zijn met twee strange-quarks en aangeslagen gluonen (de dragers van de sterke kracht), een vier-quark tetraquark, of een molecuulachtige combinatie van andere samengestelde deeltjes.

Latere experimenten met elektron-positron-botsers (BES in China, Belle in Japan) bevestigden Y(2175), maar tot nu toe was het niet waargenomen via een ander proces dan e+e- annihilatie. "De uitdaging is dat je veel me