Je leest:

Fermilab vindt zeldzaam top quark

Fermilab vindt zeldzaam top quark

Auteur: | 11 maart 2009

Wetenschappers bij Fermilab, het Amerikaanse centrum voor deeltjesonderzoek in Chicago, hebben een zeldzaam deeltje ontdekt. Het deeltje, een top quark, was al eerder gevonden, maar nog nooit in zijn eentje zonder andere quarks. De ontdekking is een steun in de rug voor het standaardmodel, dat voorspelt welke deeltjes er bestaan. Ook het Higgsdeeltje, waar zowel Fermilab als het Europese CERN naar op zoek zijn, wordt door dit model voorspeld.

Tevatron, de deeltjesversneller van het Amerikaanse Fermilab, is op dit moment de krachtigste deeltjesversneller ter wereld. Een bundel protonen botst er op een bundel antiprotonen, en de deeltjes die uit die hoog-energetische botsingen komen worden opgevangen en geanalyseerd. De machine is al sinds 1983 in werking, en waarschijnlijk zal hij binnenkort worden afgedankt als de Europese Large Hadron Collider wordt opgestart. In de vijfentwintig jaar dat er in Tevatron experimenten worden gedaan, zijn al een aantal bijzondere deeltjes ontdekt. Het belangrijkste daarvan is het top quark, dat in 1995 voor het eerst werd gemeten en in 2007 tot op een precisie van 1% kon worden gewogen.

Speld in een hooiberg

Wetenschappers van Fermilab, het wetenschappelijke instituut dat Tevatron beheert, maken nu bekend dat ze een wel heel bijzonder exemplaar van deze zware quarks hebben gevonden. Normaal gesproken komen top quarks bij botsingen samen met een aantal andere quarks vrij. Volgens de deeltjestheorie is er een hele kleine kans van ongeveer 1 op 20 miljard dat er bij een botsing van een proton en een antiproton slechts één top quark vrij komt. Deeltjesfysici zoeken al erg lang naar bewijs voor deze zeldzame reactie, maar nu is het dus eindelijk gelukt om onomstotelijk vast te stellen dat de reactie voorkomt.

Tevatron is op dit moment de krachtigste deeltjesversneller ter wereld. In de 6,28 kilometer lange tunnel botsen protonen en antiprotonen op elkaar met energiën tot een tera-electronvolt (TeV). De versneller staat bij Fermilab, in de buurt van de Amerikaanse stad Chicago. Hier werd in 1995 het top quark ontdekt. Foto: Fermilab

Achtergrondruis

Omdat de botsing waarbij een enkel top quark vrijkomt zo zeldzaam is, is het bijna onmogelijk om de metingen zo secuur te doorzoeken dat je juist die botsingen tegenkomt. Bovendien gebeuren er in een deeltjesversneller ook veel onvoorspelbare achtergrondseffecten, die normaal gesproken uit de metingen worden gefilterd om een goed beeld te krijgen van wat er gebeurt. Die achtergrondruis is veel groter dan het signaal dat uit de zeldzame botsingen komt. Twee teams van wetenschappers hebben een paar jaar lang zo secuur mogelijk de metingen doorzocht, en ze hebben een paar honderd opnames gevonden van botsingen die maar één enkel top quark produceerden. Dit resultaat bereikten ze onafhankelijk van elkaar, en daarom zijn ze er nu zeker genoeg van dat hun vondst daadwerkelijk aantoont dat de voorspelde botsingen in Tevatron echt gebeuren.

Het Standaardmodel In het Standaardmodel van deeltjes komen drie verschillende soorten deeltjes voor: leptonen, quarks en bosonen of krachtdeeltjes. De materie zoals we die om ons heen zien is gemaakt van een combinatie van quarks en leptonen. Deze deeltjes kennen drie families. De bekendste, en degene waar wij van gemaakt zijn, is de meest linkse kolom in het schema. Onze atomen hebben een kern van protonen en neutronen, die op hun beurt van up- en down-quarks gemaakt zijn. Om die kern heen vliegen elektronen. Neutrino’s, in de derde rij in het groen, zijn hele kleine, bijna massaloze deeltjes die nodig zijn voor de energiebalans. De tweede en derde kolom zijn andere families van materie, die qua eigenschappen erg op de onze lijken. Ze komen minder voor, en hebben vaak een korte levensduur. In de rechterkolom staan nog vier deeltjes om het verhaal compleet te maken: de deeltjes die verantwoordelijk zijn voor de vier fundamentele krachten. Illustratie: Fermilab

Heilige Graal

De wetenschappers publiceren hun vondst in het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters. Hun werk is niet alleen interessant omdat het het standaardmodel van elementaire deeltjes verder bevestigt, maar ook vanwege de Heilige Graal van dat model: het Higgsdeeltje. De zoektechnieken die zijn ontwikkeld om deze deeltjes te vinden kunnen namelijk ook toegepast worden bij de zoektocht naar het Higgsdeeltje, en bovendien zijn de top quarks een deel van het achtergrondsignaal bij de zoektocht naar Higgs. De onderzoekers van Fermilab achten het trouwens niet onmogelijk dat ze alsnog eerder op het spoor van Higgs zullen komen dan de nieuwe Europese versneller LHC. In ieder geval kunnen ze de grenzen waarbinnen Higgs moet worden gezocht de komende maanden nog een beetje bijstellen, zodat de CERN-wetenschappers na de zomer gericht te werk kunnen gaan.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 11 maart 2009

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.