Lichtste quarkmassa’s preciezer bepaald

kijkmagazine

2010-04-07 13:00:02

Atoomkernen bestaan uit protonen en neutronen, en die bestaan zelf weer uit quarks. Maar hoeveel die quarks precies wegen, is uiterst moeilijk vast te stellen. Toch denken Britse wetenschappers daarin geslaagd te zijn.

Met behulp van complexe simulaties, uitgevoerd op supercomputers, beweren ze de onzekerheid in de massa’s van de twee lichtste en meest voorkomende quarks, up en down genaamd, te hebben teruggebracht van 30 procent naar 1,5 procent. Oftewel: als we deze onderzoekers mogen geloven, hebben ze de precisie van deze twee quarkmassa’s verhoogd met een factor twintig.

Kolkende oneindigheid

Dat zou een hele prestatie zijn. Het bepalen van quarkmassa’s is namelijk allesbehalve makkelijk. Het probleem is dat deze deeltjes niet los in de natuur voorkomen, maar altijd in combinatie met andere quarks, bijvoorbeeld als onderdeel van een proton of neutron. Je bent daardoor gedwongen met een heel pakketje deeltjes aan de slag te gaan in plaats van met één quark, wat je eigenlijk zou willen.

Verder is het zo dat een proton niet simpelweg bestaat uit drie samengeklonterde quarks (namelijk: twee upquarks en een downquark). Deze quarks worden bij elkaar gehouden door zogenoemde gluonen (toepasselijk vernoemd naar glue oftwel lijm), en die gluonen wisselen onder elkaar ook weer gluonen uit. Daarnaast ontstaan en verdwijnen er in het deeltje voortdurend paren quarks en anti-quarks. Zoals het op de nieuwssite van Science wordt omschreven: “Het proton is een kolkende oneindigheid van quarks en gluonen waarbij de drie quarks die de eigenschappen van het deeltje bepalen minder dan 2 procent van de totale massa bevatten.” (Zie ook de illustratie boven dit bericht, die de structuur van een enkel proton laat zien.)

Via een omweg

Om over die deeltjes toch iets zinnigs te kunnen zeggen, hebben we de zogenoemde roosterquantumchromodynamica (rooster-QCD) nodig. Hierbij worden zowel de tijd als de ruimte in een uit quarks bestaand deeltje opgedeeld in stukjes (het rooster), wat de berekeningen een stuk makkelijker maakt. Met die methode werden in 2008 al de massa’s van deeltjes als het proton en het neutron scherper gesteld.

Christine Davies (Universiteit van Glasgow) en collega’s hebben nu diezelfde methode ingezet om de massa’s van de up- en de downquark afzonderlijk te berekenen. Dat deden ze met een omweg: ze bepaalden de verhouding tussen twee zwaardere quarks, strange en charm. (Er zijn in totaal zes quarks: up, down, strange, charm, bottom en top.) Eerder waren al  de massa van de charmquark en de verhoudingen tussen de massa’s van de strangequark en die van de up- en downquarks vastgesteld, waardoor er met de toevoeging van Davies een verband gelegd kon worden tussen de vrij goed bekende massa van de zware, exotische charmquark en de veel onzekerdere massa’s van de lichtere, meer alledaagse up- en downquarks.

Niet over één nacht ijs

Uit die krachttoer volgt dat de upquark iets meer weegt dan 2 megaelektronvolt, terwijl de downquark iets minder weegt dan 5 megaelektronvolt. Ter vergelijking: het proton in zijn geheel weegt zo’n 938 megaelektronvolt. Het moge dus duidelijk zijn dat de massa van zo’n samengesteld deeltje bij lange na niet gelijk is aan de som van de massa’s van de drie quarks waar het uit bestaat.

Als de bevindingen van de groep-Davies juist blijken, dan kunnen deeltjesfysici daar zeker hun voordeel mee doen. Onder andere zullen de berekende waardes ze in staat stellen om de resultaten van deeltjesversnellers als de LHC beter te voorspellen en te analyseren. Maar eerst zal er binnen de wetenschappelijke wereld nog wel wat gesteggeld worden over de betrouwbaarheid van het hierboven beschreven onderzoek. Want waar het de eigenschappen van de bouwstenen van alle materie om ons heen betreft, ga je natuurlijk niet over één nacht ijs.

Bronnen: ScienceNOW

Beeld: DESY







Podcast KIJK en luister via JUKE



Meer Nieuws