Je leest:

Nieuw deeltje van vijf quarks

Nieuw deeltje van vijf quarks

Auteur: | 1 juli 2003

In het Japanse SPring-8 lab hebben natuurkundigen met quarks een wel heel vreemd deeltje weten te maken. Tot nu toe waren alleen deeltjes bekend met twee of drie quarks, de mesonen en baryonen. Het Japanse team heeft nu een pentaquark gemaakt, dat uit vijf quarks bestaat.

De theorie van het Standaard Model verbiedt pentaquarks niet, maar in de vrije natuur zijn ze nog nooit waargenomen. Het nu ontdekte pentaquark is het eerste van een hele nieuwe deeltjesfamilie waarmee natuurkundigen hun theorieën kunnen testen.

Om een omelet te maken…

Nieuwe deeltjes maak je niet zomaar. De overbekende formule E = mc2 geeft aan hoeveel energie er minimaal nodig is om een nieuw deeltje met massa m te maken. De c stelt de lichtsnelheid voor, 299.792.458 m/s, en het kwadraat daarvan is een getal van 17 cijfers. Zelfs kleine deeltjes dragen dus een hoop energie in zich, en die moet ergens vandaan komen.

…moet je eieren breken

Bij SPring-8 vuurde men dan ook een laserpuls af op een versnelde bundel elektronen. De lichtdeeltjes die van de elektronbundel afketsten kregen een enorme energie mee en werden in harde gammastraling veranderd. Die gammastraling richtte het team vervolgens op het echte doel, een hoeveelheid koolstof-12. Daar hoopte men een reactie tussen gammadeeltjes en neutronen in de atoomkern op gang te brengen. Die botsing levert namelijk een neutron, een K+- en een K-meson op. Die laatste twee zijn samengesteld uit een quark en een anti-quark, zoals alle mesonen. Ze zijn ook elkaars antideeltje. In sommige gevallen kunnen het neutron en het K+ even samensmelten. Dan zitten in één deeltje de drie quarks uit het neutron en de twee van het K+, in totaal dus een deeltje met vijf quarks. Dat valt al snel weer uiteen in de twee originele deeltjes.

Het reactieproces voor het pentaquark. Een kern wordt geraakt door een gamma-foton en zendt een neutron, een K+ en een K uit. Het neutron en K+ smelten samen en vormen het pentaquark, dat bestaat uit twee up-, twee down- en een anti-strange-quark. Daarna valt het pentaquark uiteen in het neutron en K+. bron: Physics News Graphics, American Institute of Physics

Zo’n kortlevend deeltje detecteren is niet eenvoudig! De gezochte reactie is namelijk niet de enige die plaatsvindt – in een experiment als dit vinden honderden deeltjesreacties tegelijkertijd plaats. Dat levert een hele achtergrond van K+- en K-waarnemingen, waar de juiste uitgefilterd moeten worden. Alle paren van K+- en K-mesonen worden geregistreerd, en een computerprogramma rekent uit hoeveel energie een paar totaal had. Als zo’n paar uit het verval van een ander deeltje afkomstig is, hebben ze samen de totale energie van dat deeltje – Einstein weer. Dat levert dus een piekje op in de achtergrondruis van deeltjes. Door te berekenen wat de massa van het pentaquark is en te kijken of er een piek in de waarnemingen zit, kunnen natuurkundigen dus het bestaan van dat pentaquark aantonen.

Hier is het aantal paren van K+- en K-mesonen weergegeven voor verschillende energieën. Het gestippelde histogram is de achtergrondruis, de doorgetrokken lijn is de totale waarneming. Het verschil is duidelijk: een piek bij iets meer dan 1,5 GeV. bron: SPring-8

Quarks

Onderzoek naar elementaire deeltjes is niet iets van de laatste jaren. In het begin van de twintigste eeuw waren het proton, neutron en elektron de kleinste deeltjes in de natuurkunde. Maar onderzoek aan bijvoorbeeld kosmische stralen leverde een hele reeks van ‘elementaire deeltjes’ op. In 1964 liet Murray Gell-Mann zien, dat je al die tientallen deeltjes op kon bouwen uit slechts drie bouwstenen – daar kwamen er later nog drie bij – de quarks. Of Gell-Mann het woord quark uit James Joyce’s Finnegan’s Wake heeft gehaald of dat hij het Duitse woord voor kwark heeft gebruikt is onduidelijk. Zeker is dat ook theoretisch natuurkundigen een redelijke dosis humor hebben: de quarks hebben ondertussen de namen up, down, charm, strange, bottom (of beauty) en top (of truth) gekregen.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 juli 2003

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.