'Deelbaar' quark rammelt aan fundamenten natuurkunde

Door onze redactie wetenschappen

artikel | Donderdag 08-02-1996 | Sectie: Voorpagina | Pagina: 1,5

Een groep natuurkundigen die werkzaam is aan de Fermi-deeltjesversneller bij Chicago in de Verenigde Staten heeft aanwijzingen gevonden dat quarks, de 'kleinste' bouwstenen van de materie, niet ondeelbaar (elementair) zijn, maar zelf ook uit samenstellende deeltjes zijn opgebouwd. Dat schrijft het Amerikaanse weekblad Science in het nummer dat morgen verschijnt.

De groep die nu aan de grondvesten van de theoretische deeltjesfysica rammelt, was vorig jaar maart nauw betrokken bij de ontdekking van het zogeheten top-quark, de laatste in een serie van zes deeltjes. Met deze vondst, na een moeizame speurtocht tot stand gekomen, plaatste men de kroon op het zogenaamde 'Standaardmodel', een natuurkundig model dat elementaire deeltjes - naast quarks ook elektronen en fotonen (lichtdeeltjes) - met verbluffende precisie in kaart brengt. Dit boegbeeld van de deeltjesfysica had voorspeld dat de top-quark, de zwaarste der quarks, bestond. Mochten quarks - een fantasiewoord uit de roman Finnegans Wake van James Joyce uit 1939 - inderdaad samengestelde deeltjes blijken te zijn, dan loopt het Standaardmodel gevaar.

De CDF-onderzoeksgroep (Collider Detector at Fermilab) heeft in 's werelds krachtigste deeltjesversneller, de Tevatron, botsingen bestudeerd tussen protonen en anti-protonen. Deze deeltjes zijn ieder opgebouwd uit drie quarks, bij elkaar gehouden door 'lijmdeeltjes': gluonen. Wanneer de protonen en de (tegengesteld geladen) anti-protonen elkaar met praktisch de lichtsnelheid treffen, zullen individule quarks uit die deeltjes elkaar in de meeste gevallen schampen. Maar in een enkel geval raken ze elkaar kop-op-kop en ontstaat er een lawine aan afgeleide deeltjes, waarvan de massa via Einsteins formule E = mc deels uit energie vrijkomt.

De nu verrichte experimenten in Chicago herinneren aan die welke Sir Ernest Rutherford aan het begin van deze eeuw uitvoerde. De Brit schoot alfa-deeltjes (helium-atoomkernen) op dun goudfolie en merkte dat een klein deel onder scherpe hoeken werd teruggekaatst. De conclusie was dat de materie niet gelijkmatig over het atoom verdeeld was, in die tijd de gangbare opvatting, maar geconcentreerd zat in een harde pit: het atoom heeft een kern. De Amerikaanse deeltjesfysici zien bij quarks iets soortgelijks.

Pagina 5: Geen theoretische verklaring

De fysici vergeleken bij hun botsingen tussen quarks de waargenomen deeltjes direct na de klap met de voorspellingen van de quantumchromodynamica (QCD), de wiskundige theorie die in het Standaardmodel de wisselwerking tussen quarks beschrijft. Bij lagere botsingsenergie zijn de meetresultaten en theorie prima met elkaar in overeenstemming. Maar wanneer de botsingsenergie zo hoog wordt dat de protonen en anti-protonen elkaar tot op een duizendste deel van hun diameter naderen, treden er afwijkingen op die oplopen tot 50 procent van de voorspelde waarde.

Toen dat duidelijk begon te worden brak, aldus CDF-woordvoerder Giorgio Bellettini, in de 444 man sterke onderzoeksgroep 'een stevig gevecht' uit over de vraag of hier spectaculaire nieuwe fysica aan het licht trad, of dat men door een experimentele valstrik in de luren werd gelegd. Deze discussies zijn in de deeltjesfysica aan de orde van de dag. De meetapparatuur is zeer complex en het zijn meestal afgeleide verschijnselen die het bewijs leveren, met alle risico's vandien.

Daarbij gaat het om een aantal events in een zee van ruis; wanneer verandert een piekje van een statistische toevalligheid in een harde aanwijzing? Omdat achter de horizon een Nobelprijs wacht, en concurrerende onderzoeksteams niet stil zitten, is de druk op de onderzoekers groot en claimt men soms een vondst op een moment dat het beter zou zijn nog even door te meten.

Nadat de CDF-onderzoekers hun resultaten uitvoerig op systematische fouten hadden getest, werd vastgesteld dat het gemeten effect er werkelijk was. Rest de theoretische verklaring. Een mogelijkheid is dat, net als bij het Rutherford-atoom, een quark een harde 'pit' heeft. Ook kan het zijn dat het gemeten effect schuilt in de wijze waarop een proton (of anti-proton) tijdens de botsing zijn impulsmoment (het product van massa en snelheid) over de drie samenstellende quarks verdeelt. Als de quantumchromodynamica bijvoorbeeld onderschat hoe vaak gluonen een groot deel van dit impulsmoment dragen, kan dat de reden zijn waarom de quarks te vaak kop-op-kop botsen. In dat geval komt het Standaardmodel er vanaf met een aanpassing.