About Quarks
Wat zit er in een atoom? Wat zit er in een proton? Deze vragen worden gesteld door natuurkundigen, die de materie op het meest fundamentele niveau trachten te begrijpen.
Een atoom bevat een kern, bestaande uit protonen en neutronen, omgeven door een wolk van elektronen. Experimenten die dieper graven, ontdekken dat elektronen geen structuur vertonen, maar protonen en neutronen wel. Zij bevatten fundamentele deeltjes, quarks genaamd, die elkaar zo sterk aantrekken dat zij onder normale omstandigheden niet als vrije deeltjes kunnen bestaan. Kosmologen veronderstellen dat quarks onder de ongelooflijke omstandigheden vlak na de oerknal vrij zouden kunnen bestaan in wat het quark-gluon plasma wordt genoemd, een toestand van materie die sommige deeltjesfysici in het laboratorium proberen te creëren. (Zie Nuclei Knockdown)
Diagram van quarkstructuur van protonen en neutronen (diagram met dank aan Brookhaven National Laboratory)
Hoe weten we dat quarks bestaan? We moeten het afleiden uit indirecte metingen, omdat we een vrije quark niet kunnen waarnemen. Wanneer bijvoorbeeld elektronen met zeer hoge energie op protonen botsen, toont de verdeling van de deeltjes na de botsing aan dat er minuscule deeltjes binnen in protonen zitten.
Er zijn zes suggestieve “smaken” van quarks: naar boven, naar beneden, vreemd, bezweerd, onder en boven, en voor elk van deze smaken bestaat er een antiquark. (Zie het ‘Gezoem over Antimaterie’
Combinaties van de opwaartse en neerwaartse quarks vormen de kerndeeltjes – twee opwaartse quarks en een neerwaartse voor het proton, en een opwaartse quark en twee neerwaartse voor het neutron, zoals te zien is in het diagram. De ladingen van de quarks geven samen de lading van het proton en het neutron, zoals hieronder en in de tabel is aangegeven.
Proton = quark omhoog + quark omhoog + quark omlaag
Lading van het proton:
+1 = 2/3 + 2/3 – 1/3
Neutron = quark omhoog + quark omlaag + quark omlaag
Lading van het neutron:
0 = 2/3 -1/3 – 1/3
Een ander soort deeltje, het meson, is samengesteld uit twee quarks, of, meer bepaald, een quark en een anti-quark. Bijvoorbeeld, het pi-plus is een up quark en een anti-down quark. Dat geeft ons twee soorten deeltjes gemaakt van quarks – nucleaire subatomaire deeltjes (het proton en het neutron) en mesonen. Zou er meer kunnen zijn?
Onderzoek
Volgens het Standaardmodel zijn protonen, neutronen, pi-mesonen en andere verwante deeltjes samengesteld uit verschillende combinaties van quarks. In deze theorie is een deeltje bestaande uit vijf quarks – de pentaquark – mogelijk. Er is een oud gezegde in de natuurkunde: “Alles wat niet verboden is, is vereist.” Misschien met dit in gedachten zijn natuurkundigen al 30 jaar op zoek naar het vijf-quark deeltje. In 1997 kreeg deze zoektocht een nieuwe wending met een voorspelling van drie Russische natuurkundigen dat het pentaquark bestaande uit twee up-quarks, twee down-quarks en één anti-strange quark ongeveer 1,5 maal de massa van het proton zou hebben.5 maal de massa van het proton zou hebben en met de huidige deeltjesfysica-technologie zou kunnen worden gedetecteerd.
De productie van een pentaquark door de absorptie van een gammastraal (wiggly line) door een atoomkern. Het pentaquark vervalt zo snel dat het niet kan worden waargenomen, zodat het bestaan ervan moet worden afgeleid uit waarnemingen van de gammastralen en van de K+ mesonen die worden geproduceerd wanneer het pentaquark vervalt (afbeelding met dank aan Physics News Graphics, American Institute of Physics).
De K meson detector bij Jefferson Lab (JLab), een van de laboratoria waar het pentaquark is waargenomen (foto met dank aan Greg Adams, Jefferson Lab).
Het pentaquark wordt geproduceerd door lichte kernen te bombarderen met hoogenergetische gammastralen, zoals te zien is in het diagram. Het pentaquark zelf kan niet worden gedetecteerd, omdat het slechts ongeveer 10-20 seconden leeft voordat het in een neutron en een K+ meson vervalt (zie het rechterbovengedeelte van het diagram). Waarnemingen van het meson en de gammastralen hebben de aanwezigheid van het pentaquark aangetoond, en drie andere experimenten hebben dit resultaat bevestigd.
Dit exotische nieuwe soort deeltje heeft heel wat opschudding veroorzaakt in de natuurkundige wereld. Zoals dikwijls gebeurt, heeft de ontdekking interessante nieuwe vragen opgeworpen, want het blijkt dat de theorie die de experimentelen tot hun ontdekking heeft geleid, niet alle eigenschappen van de pentaquark correct voorspelt. Er is reeds een concurrerende theorie verschenen, en aangezien beide theorieën nog niet ontdekte deeltjes voorspellen, en met verschillende massa’s, kunnen toekomstige experimenten dit meningsverschil misschien oplossen. Hoe dan ook, het is een spannende tijd in de deeltjesfysica.
Links
Lawrence Berkeley National Lab
- The Particle Adventure
Stanford Linear Accelerator
- Particle Theory
The Exploratorium/CERN
- Het Standaard Model
Bouw van Jefferson Lab-detector (foto met dank aan Jlab/Department of Energy).
Geef een antwoord