Top-quark komt tergend langzaam in zicht

George Beekman

Het is gemakkelijker om schoonheid te vinden dan waarheid. Dat geldt niet alleen in het dagelijks leven, maar ook in de exotische wereld van de deeltjesfysica. "Schoonheid' (beauty), het deeltje dat beter bekend is als het bottom-quark, werd zeventien jaar geleden ontdekt. Maar "waarheid' (truth), beter bekend als het top-quark, heeft zich tot nu toe aan ontdekking weten te onttrekken. Het is het laatste van de zes soorten quarks die nog moet worden gevonden. Maar er zijn nu twee waarnemingen die een teken van dit deeltje zouden kunnen zijn.

Sinds ruwweg twintig jaar is het duidelijk dat men de rijk geschakeerde wereld van de subatomaire deeltjes opgebouwd kan denken uit een betrekkelijk klein aantal fundamentele bouwstenen. De "zware' deeltjes, dat wil zeggen die welke massa bezitten, bestaan uit quarks. Dit zijn merkwaardige klompjes materie, met een lading van 1/3 of 2/3 maal die van het elektron en een zeer uiteenlopende massa. Voor iedere quark bestaat een antiquark, die een tegengestelde lading heeft.

Quarks zijn deeltjes die niet in vrije toestand kunnen bestaan. Daarom heeft men aan de kracht die tussen deze deeltjes werkt, de sterke wisselwerking, zodanig eigenschappen moeten toekennen dat hij de quarks alleen in gebonden toestand laat voorkomen. Dit mechanisme wordt het quark-opsluitingsprincipe genoemd. Het heeft onder andere tot consequentie dat de aantrekkende kracht tussen twee quarks toeneemt met hun onderlinge afstand, net zoals bij twee voorwerpen die met een elastiekje aan elkaar zijn gebonden.

Het is nu precies dertig jaar geleden dat het bestaan van quarks werd voorgesteld door de Amerikaanse fysicus Maurice Gell-Mann. Hij ontleende de naam aan een figuur uit de roman Finnegan's Wake (1939) van James Joyce. Aanvankelijk had men genoeg aan drie soorten quarks om de toen bekende "zware' deeltjes te kunnen beschrijven. Nu weet men vrijwel zeker dat er minstens zes soorten zijn, aangeduid met de (verzonnen) namen als up, down, strange, charm, top en bottom.

De zes quarks kan men indelen in drie generaties. Die van de eerste generatie vormen de materie waaruit de wereld om ons heen bestaat: zij zijn de bouwstenen van de protonen en neutronen in atoomkernen. Quarks van de tweede en de derde generatie komen alleen voor bij zeer hoge energiedichtheden, zoals die worden gecreëerd in deeltjesversnellers. Met deze instrumenten kon in 1974 het charm-quark worden aangetoond en in 1976 het bottom-quark (ook wel beauty geheten).

In de jaren tachtig werd in allerlei laboratoria met behulp van deeltjesversnellers naarstig naar een veronderstelde zesde quark gezocht, het top-quark (ook wel truth geheten), maar zonder succes. Dit is niet zo verwonderlijk, omdat het van alle quarks de grootste massa moet hebben en er dus heel veel energie nodig is om het te creëren. Bovendien is het zo onstabiel, dat het direct uiteenvalt in andere deeltjes en men alleen dááruit het kortstondige bestaan kan concluderen.

Hoewel het huidige Standaardmodel van de materie het bestaan van een zesde quark voorspelt, geeft het niet aan hoe groot zijn massa zou moeten zijn. Maar met behulp van experimenten kan men wel ongeveer aangeven in welk massa-gebied men moet zoeken: tussen ruwweg 100 en 200 Giga-elektronvolt (GeV). Dit betekent dat het top-quark minstens 20 maal zo zwaar is als het in 1976 ontdekte beauty-quark.

De Tevatron-versneller van het Fermi-laboratorium bij Chicago is momenteel het enige instrument dat voldoende energie zou kunnen produceren om het top-quark te creëren. In deze ringvormige versneller laat men protonen (waterstofkernen) en antiprotonen op elkaar botsen. De totale botsingsenergie bedraagt 1800 GeV. Dat lijkt meer dan voldoende voor het maken van een quark, maar het probleem is dat er slechts een klein deel van de botsingsenergie voor quarkvorming wordt gebruikt.

In oktober vorig jaar werd gemeld dat met de Collider Detector van deze versneller de eerste glimp van het top-quark leek te zijn opgevangen. En kort geleden deed het nieuws de ronde dat met een andere detector (D-Nul geheten), vorig jaar in gebruik genomen, een tweede glimp was opgevangen. Uit de eerste waarneming zou een massa van minstens 108 GeV volgen en uit de tweede een massa van minstens 103 GeV.

Maar de betrokken fysici wachten nog even met het ontkurken van flessen: zij hebben goede redenen om voorzichtig te zijn. Al in het begin van de jaren tachtig beweerden fysici van het Europese centrum voor deeltjesonderzoek (CERN) in Genève het top-quark te hebben ontdekt, maar zij moesten die claim later intrekken. En vier jaar geleden hadden onderzoekers van het Fermilab al een kandidaat gevonden die niet overtuigend genoeg bleek te zijn.

Tijdens het uiteenvallen van een top-quark (en zijn gelijktijdig gevormde tegenhanger: de antitop-quark) onstaan een elektron, een muon en een menagerie van andere deeltjes. Zulke patronen moeten worden gevist uit de ontelbare andere deeltjespatronen die tijdens botsingen tussen protonen en antiprotonen ontstaan. En wordt er een patroon gevonden dat op het verval van een quark wijst, dan is ook dàt nog niet voldoende. Zo'n patroon zou ook door een ander proces kunnen ontstaan.

Pas wanneer er vele van dit soort waarnemingen, onder verschillende gecontroleerde omstandigheden, zijn verricht, mag men van een "ontdekking' gaan spreken. Het lijkt er dus op dat de ontdekking van de top-quark een tergend langzaam proces zal worden. En mocht men het deeltje op het Fermilab toch niet kunnen vinden, dan zal men zelfs op een volgende generatie versnellers moeten wachten.

Datum:

24-06-1993

Sectie:

Wetenschap en Onderwijs

Pagina:

2

Onderschrift:

Afbeelding: Patroon van deeltjessporen dat tijdens het uiteenvallen van een top-quark en een antitop-quark moet worden waargenomen. Hierbij ontstaan een elektron, een muon en stromen (jets) van andere deeltjes. Twee van zulke patronen heeft men onlangs op het Fermilab waargenomen, maar ze behoeven niet speciaal van de top-quark afkomstig te zijn.

Trefwoord:

Natuurkunde; Wetenschap en Techniek; Exacte Wetenschappen

Op dit artikel rust auteursrecht van NRC Handelsblad BV, respectievelijk van de oorspronkelijke auteur.