Bouwstenen van de kosmos – deel 2
Ontdekking van de eerste quarks
De man die In de zoektocht naar een logische samenhang tussen al die ontdekte deeltjes een belangrijke rol zal spelen is Murray Gell-Mann. Sommige van die deeltjes hebben een elektrische lading +1 of -1, andere deeltjes hebben geen lading. Murray Gell-Mann had ook opgemerkt dat vele van die deeltjes geen stabiel leven leiden. Na korte tijd ontaarden ze tot protonen. Bij sommige deeltjes gaat dat zeer vlug, bij andere duurt dit iets langer. Zo vervalt een Δ-deeltje (delta-deeltje) reeds na +/- 10-24 seconden tot een proton terwijl dit verval +/- 10-11 sec duurt voor een Ʃ0-deeltje (sigma-deeltje). Gell-Mann beschouwde dit vreemd fenomeen als een eigenschap van het deeltje en kende het de naam "vreemdheid" toe. Deeltjes kregen een gradatie vreemdheid 0, 1, 2, 3 toegewezen.
Gell-Mann maakte daarop een voor die tijd gewaagde veronderstelling: hij veronderstelde dat de deeltjes die hij bestudeerde zelf uit drie nog kleinere deeltjes moesten bestaan, die hij quarks noemde. Hij noemde ze de up-quark (u), de down-quark (d) en de strange quark (s). Aan de u-quark kende hij een lading +2/3 toe, aan de d-quark en de s-quark een lading -1/3. Gewapend met deze veronderstellingen stelde hij een algemeen schema op waarbij hij enerzijds met de lading van het deeltje en anderzijds met de vreemdheid ervan rekening hield ( zie afbeelding).
Copyright afbeelding: Wikipedia
Nu bleken alle reeds ontdekte deeltjes van de protonfamilie in dit schema te passen. Zo vond men er het proton terug dat was samengesteld uit twee up-quarks en een down-quark (uud) met een lading +1 (2/3 + 2/3 - 1/3) en het neutron was samengesteld uit twee down-quarks en één up-quark (udd) en had een lading 0 ( 2/3 - 1/3 - 1/3).
Ook alle nieuw ontdekte deeltjes pasten netjes in het schema. Men vindt er bijvoorbeeld deeltjes terug als Ʃ+ (uus), Ʃ 0 of Ʌ (uds), Ʃ- (dds) Ξ0 (uss) Ξ- (dss). Vooral de ontdekking in 1965 van het voorspelde deeltje met vreemdheid 3 zorgde voor ophef. Het deeltje werd Ω- genoemd. Het was deze laatste ontdekking die de definitieve erkenning van Gell-Manns zienswijze betekende.
Uit het schema van Gell-Mann kan men ook afleiden op welke manier deeltjes naar een proton vervallen. In sommige gevallen blijft de vreemdheid onveranderd. Dit is bijvoorbeeld het geval met het Δ++, dat uit 3 up quarks bestaat. In andere gevallen zal de vreemdheid van het deeltje wel veranderen. Dit is het geval met het Ω- dat in verschillende stappen tot een proton vervalt met vreemdheid 0.
Uit wiskundige symmetrieoverwegingen werd men kort daarna genoodzaakt om aan de drie door Gell-Mann ontdekte quarks nog drie bijkomende quarks toe te voegen, de charm quark (c), de topquark (t) en de bottom quark (b). Men kent vandaag dus in totaal zes soorten quarks.
De zoektocht naar allerlei nieuwe deeltjes leidde nog tot een andere ontdekking. In 1929 was P. Davies tot het besluit gekomen dat ieder deeltje in de natuur ook een antideeltje moest hebben. Zo een antideeltje blijkt in alles gelijk te zijn aan het normaal deeltje maar heeft wel een tegengestelde lading. Elke quark heeft dus ook een antiquark. Zo bestaat er naast de up quark ook een anti-up quark maar dan wel met een lading -2/3. Een antiproton zal dan bestaan uit twee anti-upquarks en een anti-downquark. De lading van het antiproton wordt dus -1.
Het standaardmodel van de elementaire deeltjes.
In het “standaardmodel” onderscheidt men twee grote families van deeltjes, de fermionen en de bosonen, genaamd naar de natuurkundigen Fermi en Bose. De fermionen zijn de deeltjes die gestalte geven aan de materie en de bosonen zijn deeltjes die instaan voor de overdracht van krachten tussen materiedeeltjes.
Fermionen
Fermionen worden op hun beurt ingedeeld in quarks en leptonen. Er zijn, net als bij de quarks, ook 6 soorten leptonen. Quarks en leptonen worden verder ingedeeld in drie generaties. In de eerste generatie vindt men de deeltjes terug die gestalte geven aan de materie zoals wij rondom ons ervaren. De tweede en derde generatie van die deeltjes kennen geen stabiel bestaan. Men vindt ze terug in de kosmische straling en in de laboratoria waar ze vlug veranderen in andere deeltjes. De hiernavolgende tabel geeft een volledig overzicht.
Leptonen
De zes soorten leptonen zijn: het elektron (e), het muon (μ) en het tau-deeltje (τ). Elkeen van die drie soorten leptonen heeft nog een bijbehorend neutrino, het elektron-neutrino (νe), het muon-neutrino (νμ) en het tau-neutrino (ντ). Dit brengt het totaal op 6. Leptonen hebben een negatieve lading gelijk aan -1.
Van alle leptonen leidt enkel elektron een stabiel bestaan. Het muon en het tau deeltje hebben een gemiddelde levensduur van resp. 2,2 x 10-6 en 2,9 x 10-13 seconde. Ook qua massa verschillen de leptonen onderling. Het elektron is veruit het lichtste van de drie. Het gewicht van een elektron is ongeveer gelijk aan 0,9 x 10-30 kilogram. De twee andere leptonen zijn veel zwaarder.
Net als alle deeltjes hebben leptonen ook antideeltjes. Antileptonen hebben een positieve lading +1. Een anti-elektron e , lijkt dus op een gewoon elektron maar heeft een lading +1.
Quarks
In tegenstelling tot leptonen komen quarks steeds gegroepeerd voor. Ze verbinden zich altijd tot groepen van 2 of van 3 quarks. Een afzonderlijke quark waarnemen is dus onmogelijk. Wanneer quarks zich voordoen in groepen van 3 quarks noemt men ze baryonen; wanneer ze zich voordoen in groepen van 2 quarks noemt men ze mesonen.
Net als leptonen hebben ook quarks een elektrische lading. Bij quarks kan die lading wel positief of negatief zijn. De up-, de charm- en de top- quarks hebben een positieve lading van +2/3; de down-, de strange- en de bottom quarks hebben een negatieve lading van -1/3.
Hieronder volgt een tabel met de verschillende quarks en enkele van hun eigenschappen.
Om het gedrag van quarks te begrijpen moet men nog een bijkomend begrip invoeren, met name "de kleurlading". Aan elke quark kent men een van de drie basiskleuren rood, blauw of groen toe. Wanneer men deze drie basiskleuren samen mengt bekomt men wit. De kleuren die men aan quarks toekent zijn gewoon een handige manier om een bijkomende eigenschap van die deeltjes te beschrijven.
Als algemene regel geldt dat een groep quarks zich steeds zal voordoen als een geheel dat wit is. Dit betekent voor een baryon dat de drie quarks steeds een verschillende basiskleur zullen hebben. De meest voorkomende baryonen zijn het proton, dat uit twee up-quarks en een down-quark bestaat met een lading + 1 (+2/3+2/3-1/3) en het neutron, dat uit twee down-quarks en een up-quark bestaat maar heeft geen lading (-1/3-1/3+2/3= 0). Protonen en neutronen zijn de deeltjes die samen de atoomkern vormen.
Net als leptonen hebben ook quarks hun antideeltjes met een lading die tegengesteld is aan het gewone deeltje. De anti-up, de anti-charm en de anti-top quarks hebben dan een lading -2/3; de anti-down, de anti-strange en de anti-bottom een lading +1/3. Een antiproton zal dus bestaan uit twee anti-up quarks en een antidownquark
Ook anti-quarks hebben een kleurlading en die stemt overeen met de bijhorende antikleur van de basiskleuren. Een antiquark zal dus steeds een van de volgende antikleuren hebben: anti-rood, anti-blauw of anti-groen. Ook een kleur gemengd met haar eigen antikleur zal bijgevolg ook wit geven.
Even ter herinnering over basiskleuren de volgende tabel:
Daar waar baryonen bestaan uit 3 quarks bestaan mesonen uit 2 quarks. Aangezien mesonen, net als baryonen, ook steeds een witte kleur hebben zullen ze steeds moeten bestaan uit een gekleurde quark en een antiquark met de erbij horende anti-kleur. Zo zal een meson met een rode quark steeds gekoppeld zijn aan een antiquark met anti-rood kleur.
Het eerste meson werd ontdekt rond 1950. Het toen nog ongekend nieuwe deeltje kreeg de naam pion. Pas later zou men erachter komen dat dit ontdekt deeltje geen elementair deeltje was maar zelf samengesteld was uit 2 quarks. Pionen kunnen zich op 3 manieren manifesteren. Ze kunnen zich voordoen als positief geladen (π+), als negatief geladen (π-) of zonder lading (π°). Het positief geladen pion π+ is samengesteld uit een up-quark en een anti-down quark. Het geheel heeft dus een elektrische lading +1 (= +2/3+1/3). Het π- deeltje daarentegen bestaat uit een anti-up quark en een down quark en heeft dus een lading -1 (= -2/3-1/3). Die twee pionen vormen elkaars anti-deeltje. Hun gemiddelde levensduur is ongeveer 2,6. 10-8 seconden. Men kent nu verschillende soorten mesonen, waaronder sommige een massa hebben die groter is dan de massa van het proton.
Tekst: Emile Beyens, juni 2021