Quarks: wat zijn dat? | Ruimte
Quarks zijn de ultieme bouwstenen van zichtbare materie in de universum.
Als we konden inzoomen op een atoom in je lichaam, zouden we zien dat het bestaat uit: elektronen zwermen in banen rond een kern van protonen en neutronen. En als we zouden kunnen inzoomen op een van die protonen of neutronen, zouden we ontdekken dat ze zelf bestaan uit een drietal deeltjes die zo klein zijn dat ze bijna geen grootte hebben, en niet veel meer dan punten. Deze puntachtige deeltjes zijn de quarks.
Quarks zijn elementaire deeltjes. Net als het elektron zijn ze niet opgebouwd uit andere deeltjes. Je zou kunnen zeggen dat ze zich op de begane grond van het Standaardmodel van deeltjesfysica.
Verwant: Vreemde quarkster is mogelijk ontstaan door een gelukkige kosmische fusie
Keith Cooper
Keith Cooper is een freelance wetenschapsjournalist en redacteur in het Verenigd Koninkrijk en heeft een graad in natuurkunde en astrofysica aan de Universiteit van Manchester.
De ontdekking van quarks
Het bestaan van quarks werd voor het eerst getheoretiseerd in 1964 in het werk van twee natuurkundigen, Murray Gell-Mann (opent in nieuw tabblad) en George Zweig, beiden verbonden aan het California Institute of Technology (CalTech) maar die tot de conclusie kwamen dat quarks onafhankelijk van elkaar bestaan. In tegenstelling tot hoe wetenschap vaak in de media wordt afgeschilderd, waren de conclusies van Gell-Mann en Zweig geen “a-ha!” moment, maar werden in plaats daarvan gebouwd op de rug van vele jaren van hard werken en zorgvuldige ontdekkingen door de deeltjesfysica-gemeenschap.
Tegen de jaren vijftig bouwden natuurkundigen een bibliotheek van bekende deeltjes op. Het leek een beetje op plantkunde, waarbij de verschillende soorten en hun eigenschappen werden gecatalogiseerd, maar wat ontbrak was een onderliggende theorie achter hun bestaan. Deze theorie werd uiteindelijk bekend als het standaardmodel, maar om daar te komen, moesten verschillende essentiële ontdekkingen worden gedaan, waaronder die van quarks.
Het meest raadselachtige was het bestaan van deeltjes genaamd hyperonen, die onstabiel waren en zeer snel vervielen, maar niet tot de deeltjes waarin ze zouden vergaan. Gell-Mann realiseerde zich dat er een onbekende kwantumeigenschap aan het werk moest zijn, die hij “vreemdheid” noemde vanwege het onverwachte van dit alles.
Kwantumgetallen, zoals vreemdheid, lading en spin, moeten behouden blijven. Als een deeltje met een bepaald kwantumgetal vervalt, dan moeten zijn bijproducten optellen tot die kwantumgetallen die het vervallen deeltje had. Bovendien hebben de kwantumgetallen van een bepaald deeltje “vrijheidsgraden” – in feite het bereik van waarden die deze getallen kunnen hebben. Deze vrijheidsgraden worden multiplets genoemd, en het patroon waarin deze multiplets tussen verschillende deeltjes konden worden gerangschikt, bracht Gell-Mann en Zweig ertoe te geloven dat de deeltjes en hun multiplets konden worden verklaard als elk deeltje was gevormd uit twee of drie kleinere deeltjes.
Zweig noemde deze kleine, elementaire deeltjes “aces”, maar de naam sloeg niet aan. Gell-Mann, die altijd een voorkeur had voor lekkere en gedenkwaardige namen, noemde ze quarks, afgeleid van een regel in de experimentele roman van James Joyce, Finnegan’s Wake: “Three quarks for Muster Mark!” In de roman verwijzen de quarks naar de drie kinderen van de hoofdpersoon, meneer Mark.
Deze quarks werden “up”, “down” en “rare” quarks genoemd. De up en down verwijzen niet echt naar iets, terwijl de vreemde quark een kwantumgetal van vreemdheid van -1 had, vandaar dat het “vreemd” wordt genoemd, terwijl de op en neer quarks een vreemdheid van 0 hebben.
Quarks in de kwantumfysica
(opent in nieuw tabblad)
Hoewel de theorie slim was, sloeg hij niet meteen aan omdat er geen experimenteel bewijs was voor quarks. Dit kwam vier jaar later in 1968 bij de Stanford Linear Accelerator Center (opent in nieuw tabblad) (SLAC) in Californië. Onderzoekers vuurden elektronen, en later muonen, af op protonen en vonden bewijs dat de elektronen en muonen zich verspreidden van drie kleinere deeltjes die zich in de protonen bevonden, waarbij elk van deze kleinere deeltjes hun eigen elektrische lading had. Deze deeltjes zijn de quarks.
Het blijkt dat er in totaal zes soorten, of smaken, quarks zijn. Naast de up, down en vreemde quarks zijn er ook “charm”, “top” en “bottom” quarks. Elk heeft zijn eigen reeks kwantumgetallen en hun massa’s zijn heel verschillend, waarbij de op- en neer-quarks het minst zwaar zijn, en de top-quark is de zwaarste met een massa van meer dan 61.000 keer massiever dan de up-quark. Waarom het zo massief zou moeten zijn, wordt niet volledig begrepen, maar het vervalt snel in minder massieve quarks. De enige reden waarom wetenschappers weten dat de top- en de bodem-quarks bestaan, is omdat deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider ze in het kort kunnen produceren.
Wat de moeilijkheid bij het bestuderen van quarks nog vergroot, is het feit dat ze onder normale omstandigheden niet alleen bestaan. Ze zijn altijd met elkaar verbonden door de sterke kernkracht, waardoor ze samengestelde deeltjes kunnen vormen die hadronen worden genoemd. Deeltjes gemaakt van twee quarks worden mesonen genoemd, en deeltjes gemaakt van drie quarks worden baryonen genoemd, waaronder protonen (twee up- en één down-quark) en neutronen (één up- en twee down-quarks). Er zijn deeltjes genaamd tetraquarks die zijn gemaakt van vier quarks, en pentaquarks die vijf quarks hebben, en sommige zijn bijna stabiel (opent in nieuw tabblad)maar uiteindelijk vergaan.
Passen in kwantumfysica theorie wordt het gedrag van quarks bepaald door een model genaamd kwantumchromodynamica (opent in nieuw tabblad), of kortweg QCD. De “chromo” in de naam verwijst naar “kleur” – niet zoals in rood, groen of blauw, maar de naam die wordt gegeven aan een bepaald kwantumnummer dat quarks bezitten. Zie kleur als dezelfde rol spelen in de sterke kracht als elektrische lading in de elektromagnetische kracht. Dus, zoals kleuren afstoten en in tegenstelling tot kleuren (dwz een kleur en zijn anti-kleur) aantrekken, stabiele quarkparen vormend, en net als andere kwantumgetallen, moet het ook behouden blijven.
De oerknal en het quark-gluonplasma
(opent in nieuw tabblad)
De sterke kracht die quarks in hadronen bindt, wordt gedragen door een ander soort klein elementair deeltje, gluonen genaamd, dat tussen de quarks wordt uitgewisseld. Het scheiden van individuele quarks vereist een enorme hoeveelheid energie (het wordt niet voor niets de sterke kracht genoemd). Deze hoeveelheid ruwe energie bestond in de natuur slechts ongeveer 10 miljardste van een seconde tot ongeveer een miljoenste van een seconde na de Oerknaltoen de temperatuur ongeveer 3,6 biljoen graden Fahrenheit was (2 biljoen graden Celsius (opent in nieuw tabblad)). Tijdens deze korte, vroege periode was het baby-universum gevuld met een vorm van materie die bekend staat als een quark-gluonplasma, een deeltjessoep van vrij zwevende quarks en gluonen. Toen de temperatuur en de druk snel daalden naarmate het baby-universum uitdijde, werden de quarks aan elkaar gebonden en vormden ze hadronen die uiteindelijk de basis vormden van alle zichtbare materie die we tegenwoordig in de kosmos zien, van sterren en sterrenstelsels tot planeten en mensen.
Hoewel het quark-gluonplasma pas 13,8 miljard jaar geleden in de onmiddellijke nasleep van de oerknal bestond, hebben wetenschappers het met succes nagemaakt in experimenten met deeltjesversnellers door twee zware kernen, zoals die van lood, dicht bij de lichtsnelheid. De eerste keer dat dit werd bereikt, was bij CERN Super Proton Synchrotron (opent in nieuw tabblad) in 2000.
Als zodanig is het bestuderen van quark-gluon-plasma’s in experimenten met deeltjesversnellers een belangrijke manier om de omstandigheden in het universum beter te begrijpen in de nasleep van de oerknal (opent in nieuw tabblad).
Quark sterren
De enige andere locatie in de natuur waar de omstandigheden zo extreem kunnen zijn dat quarks onbegrensd worden, is in een hypothetisch object dat een “quarkster” wordt genoemd.
Als ze bestaan, dan zijn quarksterren een soort extreem neutronenster, de meest compacte objecten in het universum die niet onder de zwaartekracht zijn ingestort om een zwart gat te vormen. Een neutronenster wordt geboren in a supernovawat een gewelddadige explosie is die de vernietiging van een massieve ster. Terwijl de buitenste lagen van de ster worden weggeblazen, zakt de kern van de ster naar beneden zwaartekracht en de druk daar wordt zo groot dat protonen met hun positieve elektrische lading samensmelten met negatief geladen elektronen, waarbij hun ladingen opheffen om neutrale neutronen te vormen. Neutronensterren hebben een diameter van ongeveer 10 kilometer en een lepel neutronenstermateriaal kan evenveel massa hebben als een berg.
In theorie is het echter mogelijk dat de kernen van stervende sterren nog compacter worden. In dit scenario zouden neutronen uit elkaar vallen en hun quarks vrijgeven. Dit zou een quarkster zijn.
Voorlopig blijven quarksterren echter puur hypothetisch; astronomen hebben er nog geen definitief ontdekt, hoewel er een handvol kandidaten zijn die enigszins andere eigenschappen lijken te hebben dan gewone neutronensterren, zoals een kleinere diameter en een grotere massa.
Een kandidaat is een object dat eigenlijk niet in een supernova is gevormd, maar door de samensmelting van twee neutronensterren die een zwaartekracht-golf evenement bekend als GW 190425 (opent in nieuw tabblad)die hier werd opgepikt door de LISA en Virgo zwaartekrachtgolfdetectoren Aarde in 2019. De massa van het samengevoegde object ligt tussen 3,11 en 3,54 zonsmassa’s. Dit is te massief om een neutronenster te zijn (die in theorie niet massiever kan worden dan .) ongeveer 2,4 zonsmassa’s) maar is niet groot genoeg om een zwart gat (wat minimaal ongeveer vijf zonsmassa’s moet zijn). Zou het in plaats daarvan een quarkster kunnen zijn?
Een andere mogelijkheid is dat sommige neutronensterren hybride objecten zouden kunnen zijn, met gewoon neutronenstermateriaal in hun buitenste lagen en quark materie diep in hun kernen (opent in nieuw tabblad).
Volg Keith Cooper op Twitter @21stCenturySETI. (opent in nieuw tabblad) Volg ons op Twitter @Spacedotcom (opent in nieuw tabblad) en verder Facebook (opent in nieuw tabblad).
Aanvullende bronnen
Lees meer over quarks met deze bronnen van CERN (opent in nieuw tabblad). Meer informatie over de ontdekking van quarks met CERN (opent in nieuw tabblad) en verken de quarks en gluonen in meer detail met de Ministerie van Energie (opent in nieuw tabblad).
Bibliografie
De eerste 3 minuten: een moderne kijk op de oorsprong van het heelal door Steven Weinberg (1977, herziene editie 1993, Harper-Collins)
Deeltjesfysica door Brian R. Martin (2011, One-World Publications)
Vouw, RP (17 juni 2019). Murray Gell-Mann (1929-2019). Natuur nieuws. Ontvangen 1 november 2022, van https://www.nature.com/articles/d41586-019-01907-y (opent in nieuw tabblad)
Eerste waarneming van quark-gluon plasma? Amerikaanse Fysische Vereniging. (1998, juli). Ontvangen 1 november 2022, van https://www.aps.org/publications/apsnews/199807/observation.cfm (opent in nieuw tabblad)
Fritzsch, H. (27 september 2012). De geschiedenis van QCD. CERN Koerier. Ontvangen 1 november 2022, van https://cerncourier.com/a/the-history-of-qcd/ (opent in nieuw tabblad)
Lopes, A. (2 juni 2020). Neutronensterren tonen hun kernen. CERN. Ontvangen 1 november 2022, van https://home.cern/news/news/physics/neutron-stars-show-their-cores (opent in nieuw tabblad)
Rayner, M. (29 juli 2021). Nieuwe tetraquark een snorhaar verwijderd van stabiliteit. CERN Koerier. Ontvangen 1 november 2022, van https://cerncourier.com/a/new-tetraquark-a-whisker-away-from-stability/ (opent in nieuw tabblad)
Het nabootsen van oerknalmaterie op aarde. CERN. Ontvangen 1 november 2022, van https://home.cern/news/series/lhc-physics-ten/recreating-big-bang-matter-earth (opent in nieuw tabblad)
SLAC-startpagina. SLAC Nationaal Versneller Laboratorium. Ontvangen 1 november 2022, van https://www6.slac.stanford.edu/ (opent in nieuw tabblad)
De Super Proton Synchrotron. CERN. Ontvangen 1 november 2022, van https://home.cern/science/accelerators/super-proton-synchrotron (opent in nieuw tabblad)
#Quarks #wat #zijn #dat #Ruimte