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.