Bouwstenen van de kosmos - deel 3
Bosonen
Fermionen werden beschreven als samenhangende groepen van 3 of van 2 quarks. Maar welk mechanisme houdt die verschillende quarks samen in één deeltje? Door welk mechanisme worden verschillende quarks aan elkaar gebonden? In dit proces spelen bosonen als krachtvoerende deeltjes de hoofdrol. Bosonen hebben de opdracht als 'go-between' op te treden bij fundamentele interacties.
Er zijn vier soorten krachtvoerende deeltjes. Het zijn de gluonen, dragers van de sterke kernkracht, de vectorbosonen, dragers zijn van de zwakke kernkracht, het foton, drager van de elektromagnetische kracht en het graviton, drager van de zwaartekracht.
Gluonen, fotonen en gravitonen hebben geen massa; de vectorbosonen hebben daarentegen wel een massa. De zwakste van de vier krachten is veruit de gravitatiekracht; de sterkste is de sterke kernkracht.
Copyright afbeelding: CERN The Standard Model
De elektromagnetische kracht
De elektromagnetische kracht wordt steeds uitgeoefend door fotonen. Zo zullen 2 elektronen die in elkaars nabijheid komen o.i.v. elkaars elektromagnetisch veld een impact hebben op elkaar. Tussen de 2 elektronen ontstaat dan een continue uitwisseling van fotonen waardoor die elektronenbanen worden afgebogen.
De uitwisseling van fotonen tussen de twee elektronen gebeurt volgens de wetten van de kwantumwereld. De boodschapperfotonen halen de nodige energie uit het elektromagnetisch kwantumveld waar ze, volgens het onzekerheidsbeginsel van Heisenberg, voor korte tijd de nodige energie kunnen lenen.
De kwantumwereld is dus een zeer actieve wereld waar continu deeltjes ontstaan en verdwijnen. Zo kunnen fotonen ontstaan uit de annihilatie van twee materiële deeltjes. Als een elektron zijn anti-elektron tegenkomt worden beide deeltjes omgezet in 2 fotonen energie.
De zwakke kernkracht
De elementaire deeltjes die in de loop van de laatste decennia werden ontdekt leiden niet alleen een kort en onstabiel bestaan, maar ze veranderen ook regelmatig van natuur. Er doet zich in de natuur dus een soort alchemie voor waarbij bepaalde deeltjes kunnen veranderen in andere deeltjes. Voor die alchemie van elementaire deeltjes zorgt de zwakke kernkracht. Niet onterecht noemt men die kracht dan ook de 'kosmische alchimist'. Niettegenstaande die belangrijke rol blijft de zwakke kernkracht toch een zwakke kracht - van de vier krachten is enkel de zwaartekracht nog zwakker - die enkel voelbaar is op korte afstand binnen de atoomkern.
Zoals het foton bij de elektromagnetische kracht wordt ook de zwakke kernkracht gedragen door bosonen. Maar hier is er niet één boson maar zijn er drie bosonen die een rol spelen. Het zijn het W-, het W+ en het Z° boson. Bij elk van die drie deeltjes hoort eveneens een veld. Bij de drie boodschapperdeeltjes horen dus drie velden. De drie bosonen van de zwakke kernkracht treden voortdurend in interactie met allerlei leptonen en quarks en muteren zo voortdurend die elementaire deeltjes naar andere vormen.
Deeltjes die onder invloed van de zwakke kernkracht van natuur veranderen doen zich veelvuldig voor in de kosmische straling die ons vanuit de ruimte buiten de atmosfeer bereikt.
Een van die deeltjes die in de ruimte ontstaan is het muon, dat heel erg op het elektron lijkt maar wel veel zwaarder is. Een muon leeft ongeveer 2,2 miljoenste seconde voordat het vervalt in andere deeltjes. Dit muon is belangrijk omdat het een van de eerste bewijzen geweest is van Einsteins speciale relativiteitstheorie. Alleen met de relativiteitstheorie kon men verklaren hoe een muon dat amper 2,2 miljoenste seconde leeft en op ongeveer 60 km boven het aardoppervlak ontstaat toch de Aarde kon bereiken.
Een belangrijke transformatie die de zwakke kernkracht veroorzaakt is de vorming van een neutron uit een proton. Hiervoor is nodig dat er een up-quark wordt omgezet in een down-quark. Dit gebeurt onder invloed van een W+ deeltje. Wanneer een W0 boson, dat zich als een (d, d) koppel voordoet, interageert met een up-quark wordt een down-quark gevormd en ook een W+ , deeltje dat bestaat uit een ( d,u) koppel. Dit W+ deeltje is een zwaar deeltje en zal op zijn beurt uiteenvallen in een (ν, e) koppel. Dergelijke overgangen worden visueel weergegeven in Feynmanndiagrammen, zie de afbeelding hieronder. Feynmann was de eerste die op deze manier de werking van bosonen voorstelde.
Copyright afbeelding: Wikipedia Feynmann diagram
De sterke kernkracht
De krachtvoerende deeltjes van de sterke kernkracht zijn gluonen. Hun opdracht is quarks samen te binden tot protonen, neutronen of nog andere deeltjes. Zonder de sterke kernkracht zouden de positief geladen protonen van de atoomkern door hun onderlinge elektrische afstoting uit elkaar vliegen. Door voortdurend heen en weer te flitsen tussen quarks houden ze op die manier die quarks ook samen.
In tegenstelling tot de gravitatiekracht of de elektromagnetische kracht is de sterke kernkracht een kracht die groter wordt naarmate de afstand tussen deeltjes groter wordt. Naarmate deeltjes zich verder van elkaar bevinden zullen ze ook een grotere bindingskracht ondervinden. Gluonen hebben noch een elektrische lading noch een massa. Op grond van symmetrieoverwegingen heeft men ontdekt dat er 8 soorten gluonen moeten bestaan, met telkens een erbij horend veld.
In tegenstelling tot andere mesonen hebben gluonen een kleurlading. Een gluon dat inwerkt op een quark zal de kleur ervan wijzigen. Als gevolg hiervan moet het gluon dan zelf een kleur hebben die samengesteld is uit een basiskleur en een antikleur die niet bij de kleur hoort. Zo kan, bijvoorbeeld, een rode quark in een blauwe quark veranderen onder invloed van een rood-antiblauw-gluon.
Het Feynmanndiagram ziet er dan als volgt uit:
Copyright: Wikipedia Feynmann met gluonen
Andere gluonen zullen, bijvoorbeeld, een rood-paarse, een groen-gele, een blauw-turkoois of een groen-gele kleur hebben.
Tekst: Emile Beyens, juni 2021