Quarks maken deel uit van alle materie, maar zijn nooit als zodanig waargenomen. En ze hebben “smaken” en “kleuren” – hoewel geen van beide termen enige relevantie heeft voor wat ze eigenlijk doen. Laten we eens kijken waarom we quarks nodig hebben om de wereld te begrijpen, en wat hun “kleuren” en “smaken” eigenlijk betekenen.
Deze browser ondersteunt het video-element niet.
Voor veel mensen is de vraag: waarom hebben we überhaupt quarks nodig? Deze vraag duikt vaak op, vooral wanneer mensen leren dat quarks niet van elkaar kunnen worden gescheiden en dat we er dus nooit een alleen hebben gezien. Zijn elementaire deeltjes zoals protonen en neutronen niet genoeg? Waarom moeten we ze nog verder uit elkaar halen om het heelal te begrijpen?
De poëzie van de quark
De eerste problemen met wat als “fundamentele” deeltjes werd beschouwd, ontstonden in de jaren zestig, toen wetenschappers met elektronen op materie schoten en zagen dat ze in verschillende richtingen bewogen, schijnbaar zonder enige reden. Door te kijken hoe en wanneer de elektronen van richting veranderden, kwamen wetenschappers tot de conclusie dat de kern uit kleinere delen moest bestaan, waarvan sommige door de elektronen werden “tegengehouden”. Deze delen waren kleiner dan de protonen waarvan de wetenschappers wisten dat ze in atoomkernen zaten. De delen, zo realiseerden zij zich, moesten zich in de protonen zelf bevinden.
Advertentie
Dit was goed nieuws voor wetenschappers die hadden geprobeerd te vereenvoudigen wat bekend was komen te staan als een ”dierentuin” van deeltjes. In het begin van dit decennium speculeerden twee verschillende natuurkundigen, George Zweig en Murray Gell-Man, voor het eerst dat de deeltjes niet elementair waren, maar bestonden uit verschillende deeltjes die ofwel een derde ofwel twee derde van de lading van een van beide deeltjes droegen. Beiden kwamen op het idee van drie zeer elementaire deeltjes waaruit veel van de deeltjes zouden bestaan die in de natuurkunde zo’n grote vlucht hebben genomen. Zweig noemde de deeltjes “azen”. Gell-Man noemde ze “quarks”, na het doorlezen van James Joyce’s Finnegans Wake en het nonsensgedicht, “Three quarks for Muster Mark.”‘
Advertentie
Deze nieuwe theorie werkte zeer goed bij het verklaren van lading, spin, en massa. Het hielp de vele verschillende subatomaire deeltjes in hun context te plaatsen. In plaats van een verbijsterend aantal elementaire deeltjes met verschillende eigenschappen, waren er slechts drie, waarvan de combinatie de verscheidenheid aan deeltjes vormde die wetenschappers hadden ontdekt. Het was een beetje zoals het besef dat de vele stoffen in de wereld konden worden begrepen als combinaties van een betrekkelijk gering aantal atomen. Twee verschillende combinaties van quarks zouden een proton of een neutron kunnen vormen, net zoals twee verschillende combinaties van waterstof- en zuurstofatomen een water of een zuur zouden kunnen vormen. Het enige probleem was dat niemand enig bewijs had voor het bestaan van quarks – totdat iets in protonen elektronen in willekeurige richtingen begon te laten vliegen. Toen de elektronen verstrooiden, werd de schijnbaar overbodige theorie bevestigd.
In de loop van de volgende decennia werden meer quarks toegevoegd aan het vereenvoudigde systeem, waardoor het aantal quarks op zes kwam. Men ontdekte waarom we nog geen quarks op zichzelf hadden gevonden. De kracht die ze in paren of drieën bij elkaar trekt, wordt sterker naarmate ze verder van elkaar af bewegen, als een elastiekje. Alleen zeer energierijke gebeurtenissen kunnen ze zelfs maar voor korte tijd van elkaar scheiden. Quarks kunnen ook van “smaak” veranderen. Hoewel tot op de dag van vandaag niemand een quark op zichzelf heeft “gezien”, komen experimentele resultaten en waargenomen eigenschappen van de deeltjes zo perfect overeen met de theorie over hun bestaan, en komen ze met geen enkele andere theorie zo goed overeen, dat wetenschappers tevreden zijn dat ze bestaan. Ze verklaren te veel dingen te goed om er niet ergens in te zitten.
Advertentie
De kleuren en de smaken
De naam “quark” komt uit een nonsensgedicht, wat redelijk is – maar een snelle blik op een samenvatting van hun eigenschappen laat zien dat de nonsens niet ophoudt bij de naam. Ze zijn er in “smaken”, wat, omdat ze niet geproefd kunnen worden, niets betekent. Ze hebben kleuren, en de studie ervan wordt kwantumchromodynamica genoemd, maar het is duidelijk dat ze geen kleur hebben die we kunnen zien. Wat zijn deze vreemde eigenschappen en waarom moeten ze worden genoemd naar eigenschappen die ze niet hebben?
Aanbeveling
Zoals eerder gezegd, quarks komen niet alleen voor. Ze zwerven in paren, en bepaalde paren vormen altijd een team. De paren zijn als volgt: op en neer, charm en strange, boven en onder. De eerste quark in elk van deze paren heeft een lading van twee-derde van een proton ladingseenheid. De tweede quark in elk paar heeft een lading van negatief eenderde. In de oorspronkelijke theorie hebben twee up-quarks en een down-quark bij elkaar opgeteld een lading van positief één – of een proton. Twee downs en een up hebben ladingen die bij elkaar opgeteld nul zijn, en maken neutronen. Maar als drie quarks een positieve lading van tweederde hebben en drie quarks een negatieve lading van eenderde, waarom zijn er dan niet gewoon twee quarks in totaal? Wat is het verschil? Elk van de quarks heeft net iets andere massa’s. Daarom bleken protonen en neutronen, toen ze bestudeerd werden, iets verschillende massa’s te hebben. De verschillende combinatie van quarks gaf ze een verschillende massa. Deze combinatie van lading en massa, en nog een paar esoterische eigenschappen, vormen de ”smaak” van elke quark. Waarom ze niet gewoon ”types” kunnen worden genoemd, moeten we misschien aan James Joyce vragen.
Advertentie
Kleuren zijn een andere draai aan quarks. Ze zijn een combinatie van theoretische noodzaak en experimenteel bewijs. Quarks zijn samengeperst in een zeer kleine ruimte, en het Pauli Exclusie Principe stelt dat geen twee deeltjes tegelijkertijd in dezelfde toestand kunnen bestaan. Twee opwaartse quarks zouden niet in hetzelfde proton kunnen zitten. Er moest iets anders zijn. En zo ontstonden de “kleuren” van quarks. Blauwe, rode en groene quarks bestaan in elke smaak. Ze komen samen om kleurloze deeltjes te vormen – analoog aan de manier waarop veel verschillende gekleurde lichten samenvloeien om een kleurloos wit licht te vormen. Dit werd misschien beschouwd als een fudge factor voor de natuurkunde, maar experimentele botsingen van elektronen en antiprotonen hebben aangetoond dat er drie keer zoveel soorten quarks zijn dan er zouden zijn op basis van “smaken” alleen.
Uiteindelijk zijn quarks zo mysterieus omdat hun eigenschappen in niets lijken op wat we in de macro-wereld ervaren, en toch worden ze genoemd naar eigenschappen waarmee we volkomen vertrouwd zijn. De vertaling tussen een kleur zoals wij die zien en een kleur, als in een modus die wordt gedicteerd door wiskundige en experimentele resultaten, is desoriënterend. De beste manier om quarks te begrijpen is te begrijpen dat ze, in plaats van exotisch te zijn, dienen als een manier om de uitgestrekte subatomaire wereld te ordenen en te vereenvoudigen. Ze zijn een soort periodiek systeem van elementen – voor de elementen. Zullen wetenschappers iets kleiners vinden? Wie weet, maar laten we hopen dat ze het vernoemen naar iets uit Jabberwocky. Ik zou wel eens een natuurkundecollege over “mome raths” willen zien.”
Advertentie
Top Image: Yarnalgo
Partikelafbeelding: Io9
Tafel van quarks: MissMJ
Advertisement
Via NASA twee keer, Hyperphysics drie keer, Particle Adventure, en Duke.
Advertisement