Je leest:

Een buitenbeentje onder de loep met de LHC

Een buitenbeentje onder de loep met de LHC

Auteur: | 14 juni 2013

Het standaardmodel van de deeltjesfysica kent vreemde kostgangers. De elementaire bouwstenen van het heelal gedragen zich vaak op manieren die niet rijmen met onze intuïtie. Dit is het werkterrein van de natuurkundige Marcel Vos van de Universiteit van Valencia. Marcel over zijn werk bij de deeltjesversneller Large Hadron Collider (LHC), de ontwikkelingen in de deeltjesfyscia en zijn onderzoek aan de eigenaardige topquark.

Een proton met twee zogenoemde upquarks en een downquark. Alle quarks hebben een andere ‘kleurlading’, waardoor het geheel kleurloos is, een vereiste voor een stabiel deeltje.
Arpad Horvath

Mijn favoriete bouwstenen van de materie zijn de quarks. Hun mooiste eigenschap heet kleuropsluiting. Quarks onderscheiden zich van andere elementaire deeltjes zoals elektronen, neutrinos, of bijvoorbeeld het Higgsdeeltje door wat natuurkundigen kleurlading noemen (veel van de namen – zoals smaak, kleur – die we aan eigenschappen van deeltjes hebben gegeven klinken behoorlijk belachelijk zo gauw ze vertaald worden). Die kleurlading zorgt ervoor dat quarks zich heel anders gedragen dan andere elementaire deeltjes.

Een elektron kunnen we ons simpel gezegd voorstellen als een mini-maantje dat om zijn planeet – de atoomkern – draait. Als we voldoende kracht uitoefenen kunnen we het elektron losmaken van de kern. Het elektron en de kern kunnen zonder problemen afzonderlijk van elkaar bestaan.

Bij quarks lukt dat vreemd genoeg niet, zij komen alleen in combinatie met andere quarks voor. Ze zijn door hun kleurlading veroordeeld tot de nabijheid van minstens één ander quark.

Quarkgeschiedenis

De ‘ontdekking’ van quarks in de jaren ’60 was aanvankelijk het werk van theoretische fysici. Zij postuleerden het bestaan van quarks als de bouwstenen van een hele rits deeltjes die in de jaren daarvoor waren gedetecteerd in deeltjesversnellers. Zoals de chemische elementen in het periodiek systeem verklaard konden worden door combinaties van protonen, neutronen en elektronen, zo waren combinatie van quarks genoeg om al die deeltjes te vormen. Er zijn zes verschillende quarks.

Speuren naar fonteinen

Die kleurlading – en die vreemde eigenschap kleuropsluiting – leidt tot een aantal interessante vragen. Kunnen we quarks bevrijden uit hun veilige atoomkern, bijvoorbeeld door deze te bestoken met andere deeltjes? En kunnen we met krachtige botsingen in de LHC een vrije quark creëren?

Het antwoord op de eerste vraag is: ja. De ‘meest directe’ observatie van quarks verkrijgen we met een voldoende energetisch bosting waardoor de quark inderdaad het atoom verlaat. Maar het antwoord op de tweede vraag is: nee. Als gevolg van de eerder genoemde kleuropsluiting zal de quark acuut een partner nodig hebben om opnieuw een kleurloos geheel te worden.

Zo’n partner duikt letterlijk op uit het niets. Uit het vacuüm duiken namelijk continu deeltjes op (samen met hun anti-varianten) die normaal gesproken meteen weer recombineren en verdwijnen. Maar in dit geval zullen ze met de losgeschoten quark combineren tot een stabiele deeltjes. Een aantal van deze stabiele deeltjes gaan nu een zogenoemde jet vormen, een soort fontein van deeltjes die allemaal min of meer de oorspronkelijke richting van de quark blijven bewegen. Hoewel we strikt genomen dus geen vrije quarks waarnemen, kunnen we metingen aan quark verrichten door de richting en energie van de jet te registreren.

Deze botsing tussen een elektron en een positron levert drie zogenoemde jets op.

De belangrijkste jets ooit

De eerste jets werden in de jaren ’60 geobserveerd, toen versnellers in de Verenigde Staten krachtig genoeg werden om quarks uit atoomkernen weg te stoten. Misschien wel de belangrijkste jets ooit, en zeker de beroemdste, zijn hiernaast afgebeeld. Deze botsing tussen een elektron en positron in een versneller in Hamburg produceerde drie jets.

De technologie, en de grafische vaardigheden van de natuurkundigen, stonden duidelijk nog in de kinderschoenen in die tijd. De energie van de jets – 7,4; 8,9 en 11,1 gigaelektronvolt (GeV) – is naar moderne maatstaven een beetje lachwekkend; in de LHC-experimenten hebben we jets geobserveerd met een bijna 100 keer hogere energie. De jets die hier te zien zijn zouden nu niet eens meer door de computer getekend worden.

Toch maakt het ze niet minder belangrijk. Een tiental van deze ‘Mercedes-ster-configuraties’ vormde in de jaren ’80 het eerste bewijs voor het bestaan van het gluon, het deeltje dat verantwoordelijk is voor het overbrengen van de sterke kernkracht en dat enkel waargenomen kan worden als een jet.

Buitenbeentje van de familie

In vrijwel elke familie is er wel een buitenbeentje. En inderdaad zo ook in de deeltjesfamilie, want één quark is nog gekker dan de rest. De top-quark werd in 1995 ontdekt met de Tevatron-deeltjesversneller bij Chicago. Het deeltje bleek een enorm zwaargewicht. Ongeveer even zwaar als een goudatoom, dat uit 79 protonen en 118 neutronen bestaat; bijna 600 up- en downquarks als we er even van uitgaan dat elk proton of neutron drie van dat soort quarks bevat.

Het gevolg van de enorme massa van het top-quark is dat het vliegensvlug vervalt. Zo snel dat het geen kans heeft om te combineren met een opduikende quark uit het vacuüm om zo een zichtbare jet te vormen.

Toch lukt het om top-quarks waar te nemen door naar zijn vervalproducten te speuren en die naderhand samen te voegen in analyseprogramma’s. Die laatste stap is een hele puzzle en veel van de onzekerheid in de metingen aan top-quarks zijn terug te voeren op onnauwkeurigheden in model dat het van verval van de top-quark beschrijft.

De ATLAS-detector van deeltjesversneller LHC. Ter oriëntatie: in het midden op de voorgrond poseert een persoon.

Nieuwe natuurkunde

Maar de manier waarop we de zware top-quark kunnen waarnemen verandert met de volgende versneller in de saga van de deeltjesfysica, de LHC. Met deeltjesenergieën van 7 tot 8 TeV is hij vier keer krachtiger dan de Tevatron. In 2014 moet de machine zelfs tot 13 of 14 TeV gaan.

Twee fat jets in het ATLAS-experiment die het bewijs vormen van de productie van top-quarks.
ATLAS/CERN

In de krachtigste botsingen in de LHC verandert de manier waarop we de top-quark waarnemen. Het deeltje krijgt in de LHC namelijk zo veel energie mee dat zijn vervalproducten in dezelfde richting doorvliegen als die het top-quark had. Daarmee worden extreem snelle top-quarks als één enkele jet gedetecteerd, net als de lichtere quarks. In het jargon van de LHC gebruiken we de term ‘fat jet’.

De eerste top-quarks die zich als een echte jet gedroegen werden in 2011 gepresenteerd tijdens een conferentie op de Princeton-universiteit. Aanvankelijk werden energetische top-quarks voornamelijk als een probleem gezien, dat analyse methoden behoorlijk op de proef stelde. Inmiddels kunnen we, met behulp van nieuwe methoden, de productie van top-quarks bij extreme energieën effectief bestuderen.

Recent is een aantal artikelen gepubliceerd waarin de auteurs speuren naar signalen van massieve, onbekende deeltjes die vervallen naar top-quarks. Mogelijk bieden energetische top-quarks dus een geheel nieuw venster op onbekende, ‘nieuwe’ fysica.

Nog kleiner dan quarks

Misschien nog interessanter is de mogelijkheid dat de top-quark een samengesteld deeltje is. Voor veel fysici is zijn massa een argument om te geloven dat de top-quark substructuur zal vertonen als we maar dichtbij genoeg kunnen komen.

Van veel andere deeltjes is aangetoond dat ze niet uit andere deeltjes bestaan, in ieder geval in zover we dat met de huidige technologie kunnen toetsen. Voor de top-quark is er minder solide bewijs, omdat voorgaande versnellers niet voldoende energie hadden om ze te produceren en dusdanig precieze metingen ontbreken voor de top-quark. De studie van hoogenergetische top-quarks met de LHC kan hierover hopelijk uitsluitsel geven.

Quarks zijn de kleinste bouwsteentjes van materie die we kennen. Maar zijn er nog kleinere? Illustratie: The Royal Swedish Academy of Sciences

In de krachtigste botsingen van de LHC wordt de top-quark eindelijk een ‘echte’ quark. Net als zijn lichtere broertjes up, down, strange, charm en bottom worden energetische top-quarks gedetecteerd als jets van stabiele deeltjes. Mogelijk kan een nauwkeurige analyse van top-quark productie onder deze extreme omstandigheden een hint geven van wat er zich voorbij ons huidige standaardmodel afspeelt.

Marcel Vos is werkzaam bij het Instituut voor deeltjesfysica van de Universiteit van Valencia en het Consejo Superior de Investigaciones Científicas, vergelijkbaar met de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek NWO.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 14 juni 2013

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.