de twintigste eeuw begon met de bevestiging dat materie niet continu was, maar gemaakt van kleine atomen en moleculen. Het eindigde met de bevestiging dat materie gedeeltelijk wordt gemaakt van nog kleinere objecten die quarks worden genoemd.
atomen bestaan uit kernen en elektronen, en kernen bestaan uit neutronen en protonen. In 1950 werden proton en neutron echter beschouwd als de laatste elementaire bestanddelen van materie. De pion was de drager van de sterke kracht die protonen en neutronen aantrok om kernen te vormen, net zoals het foton de drager was van de elektromagnetische kracht die elektronen en kernen verbond tot atomen. Maar in 1962 waren veel nieuwe onverwachte deeltjes ontdekt. Ze werden eerst gegroepeerd in families genaamd multilets en beschreven door de achtvoudige manier. Tegen 1966 werd duidelijk dat geen van de nieuwe deeltjes echt elementair kon zijn. Het neutron, proton en pion waren niet kwalitatief verschillend zoals het elektron en het foton; zij en alle nieuwe sterk interagerende deeltjes die baryonen en mesonen worden genoemd, werden gebouwd uit dezelfde, nog kleinere bouwstenen die nu quarks worden genoemd.
de achtvoudige manier zelf was raadselachtig omdat het geen reden gaf waarom bepaalde multilets gevonden moesten worden. Net als de Mendelejev tabel van de chemische elementen, bood het een manier om de zogenaamde “elementaire bestanddelen van de materie” te classificeren, maar hun aantal suggereerde dat ze niet allemaal elementair konden zijn.In 1963 wezen Hayim Goldberg en Yuval Ne ‘ eman erop dat alle bekende deeltjes wiskundig geconstrueerd konden worden uit dezelfde drie bouwstenen, nu de up (u ), down (d) en strange (s ) quarks genoemd, samen met hun antideeltjes, nu antiquarks genoemd.In 1964 durfden Murray Gell-Mann en George Zweig te stellen dat dit inderdaad de fundamentele bouwstenen van de materie waren. Maar er ontstond een ernstig probleem. Het elektron, neutron, proton en pion werden allemaal experimenteel ontdekt als geïsoleerde deeltjes die individueel konden worden gedetecteerd en gecreëerd en waarvan de paden door de ruimte konden worden bepaald. Met de huidige technologie zijn wetenschappers echter nog steeds niet in staat om individuele quarks te creëren of te bestuderen. Maar wetenschappers geloofden al dat materie bestond uit atomen en moleculen lang voordat iemand ze individueel had gemaakt of gedetecteerd. Misschien zullen toekomstige ontdekkingen de creatie en detectie van quarks mogelijk maken.
er zijn geen eenvoudige antwoorden op de vragen wie het atoom ontdekte, wie de quark ontdekte en hoe de realiteit van atomen en quarks werd vastgesteld. Een mogelijk antwoord verschijnt in het boek van E. D. Hirsch Jr. the Schools We Need and Why We Don ’t Have Them:” De wetenschappelijke gemeenschap komt tot conclusies door een patroon van onafhankelijke convergentie (een soort intellectuele triangulatie), dat samen met nauwkeurige voorspelling, een van de krachtigste vertrouwenwekkende patronen in wetenschappelijk onderzoek. Er zijn weinig of geen voorbeelden in de geschiedenis van de wetenschap wanneer hetzelfde resultaat, bereikt door drie of meer echt onafhankelijke middelen, is omvergeworpen” (p.159). Hirsch citeert Abraham Pais ‘ biografie van Einstein als voorbeeld van deze convergentie:
het debat over de moleculaire werkelijkheid werd definitief beslecht door de buitengewone overeenstemming in de waarden van N verkregen door veel verschillende methoden. De zaken werden niet bepaald door een bepaling van N, maar door een overdeterminatie van N. Uit onderwerpen zo divers als radioactiviteit, Brownse beweging, en het blauw in de lucht, was het mogelijk om te stellen, in 1909, dat een dozijn onafhankelijke manieren van het meten van N leverde resultaten in opmerkelijke overeenstemming met elkaar.In 1966 overtuigde dit soort indirect bewijs Richard Dalitz er al van dat quarks materie waren, toen hij zijn invitated review gaf op de jaarlijkse Internationale Conferentie over hoge-energiefysica in Berkeley, Californië. Dit bewijs omvatte het bestaan van experimenteel waargenomen regulariteiten in de eigenschappen van deeltjes die ontstaan bij versnellers met hoge energie, het feit dat botsingen tussen verschillende soorten deeltjes gewoon gerelateerd waren, het feit dat de elektromagnetische eigenschappen van verschillende mesonen en baryonen gewoon gerelateerd waren, de waargenomen experimentele Verhouding van de magnetische momenten van het neutron en proton, en het feit dat de vernietiging van een proton en een antiproton in rust bijna altijd drie mesonen produceerde. Deze waren anders onverklaarbaar en kwamen overeen met dezelfde conclusie: mesonen en baryonen werden gebouwd uit dezelfde elementaire bouwstenen. Deze onafhankelijke convergentie overtuigde uiteindelijk iedereen dat alle van de vele deeltjes beschreven door de achtvoudige manier waren niet de fundamentele bouwstenen van de materie, zoals voorheen werd geloofd, maar waren zelf gebouwd van nog kleinere bouwstenen.
veel deeltjesfysici konden niet begrijpen waarom quarks pas tot ver in de jaren zeventig algemeen aanvaard werden. een probleem was dat de waarden van de elektrische ladingen van de quarks kleiner waren dan de elektrische lading van het elektron. De U quark heeft een positieve elektrische lading twee derde van de waarde van de lading van het elektron, en de D en s quarks hebben een negatieve lading een derde van de lading van het elektron. Tot nu toe hebben alle bekende deeltjes waarden van elektrische lading die integraal veelvouden van de lading van het elektron en zijn antideeltje het positron zijn. Er zijn nooit fractioneel geladen deeltjes of geïsoleerde quarks waargenomen.
nog meer en meer indirect bewijs voor het bestaan van quarks als de bouwstenen waaruit alle materie is opgebouwd, heeft zich sinds 1966 verzameld. Alle deeltjes die voortdurend worden ontdekt en die passen in de multilets die door de achtvoudige manier worden gedefinieerd, gedragen zich alsof ze ofwel zijn opgebouwd uit drie quarks of uit een enkele quark en een enkel anti-deeltje van de quark, een antiquark genaamd.
het zoeken naar bewijs voor afzonderlijke Quarks
sinds het eerste quarkvoorstel in 1964 hebben onderzoekers gezocht naar deeltjes met een elektrische lading die lager is dan de lading van het elektron. Maar niemand is gevonden. Al het overweldigende bewijs voor het bestaan van quarks kwam van eigenschappen van de mesonen en baryonen die erop wezen dat ze uit quarks werden gebouwd.In de jaren zeventig leverden experimenten met hoge-energetische elektronen op een proton-doel bewijs op dat de elektronen inslagen en verstrooid werden door enkele quarks. Ook hier was het bewijs nog indirect. De kwark zelf is nooit waargenomen. Maar een elektron verstrooid door een puntachtig object met een elektrische lading verandert zijn bewegingsrichting en verandert zijn energie op een welomschreven en bekende manier. Het bestuderen van de veranderingen van richting en energie in de elektronen verstrooiing experimenten toonden aan dat de elektronen werden verspreid van puntachtige bestanddelen in het proton met de fractionele elektrische ladingen voorspeld door het quark model.
deze experimenten hielpen om te bevestigen dat de eigenaardige quarks echt bestonden. Maar ze stelden twee nieuwe vragen. Hoewel de quarks erg hard werden geraakt door het elektron, en ze een zeer hoge energie en momentum absorbeerden, werden ze nooit uit het proton geslagen. Geïsoleerde vrije quarks werden nooit waargenomen. Dit gaf aan dat de quarks gebonden waren door zeer sterke krachten in het proton dat hen ingesloten hield. Maar de elektronenverstrooiing gegevens gaven aan dat de objecten die de elektronen verstrooien energie en momentum overdragen als een vrij deeltje, zonder bewijs van te worden beperkt door enige sterke krachten. Deze twee puzzels zijn verduidelijkt in het nieuwe standaardmodel en kregen de namen van opsluiting en asymptotische vrijheid.
de krachten die quarks samenbinden tot mesonen en baryonen zijn zo sterk op grote afstanden dat het scheiden van een quark van zijn buren Een enorme hoeveelheid energie kost. Wanneer een quark in een proton wordt geraakt met een energie die voldoende is om nieuwe deeltjes te creëren, ontstaat een nieuw quark-antiquarkpaar. Het gecreëerde antiquark combineert dan met de geslagen quark om een pion of ander meson te creëren, en de gecreëerde quark keert terug naar de andere bestanddelen van het oorspronkelijke proton. De energie die wordt geproduceerd door het raken van een quark in een proton drijft de quark niet uit zichzelf uit het proton; de quark pikt een antiquark op dat is ontstaan door de grote energieoverdracht en gaat dan af als een meson. Zo worden geïsoleerde quarks nooit waargenomen als producten van botsingen met hoge energie; ze vinden eerder altijd partners die in de botsingen zijn gecreëerd en combineren met hen om mesonen en baryonen te vormen. Ze worden dus altijd beperkt door gebonden te zijn in mesonen of baryonen en worden nooit waargenomen als geïsoleerde vrije quarks.Meer recente experimenten met botsingen met hoge energie laten zien hoe een getroffen quark quark-anti-quarkparen creëert die op verschillende manieren recombineren om een keten van mesonen en baryonen te creëren. De geslagen Quark combineert met een gemaakt antiquark om een meson te vormen, waardoor de quarkpartner van het antiquark een nieuw gemaakt antiquark zoekt, enz. Dit verschijnt in de detector van het experiment als een “straal” van deeltjes die van het aanvankelijke proton naar de geslagen of leidende quark gaan.
een analoog aan dit straalfenomeen uit onze dagelijkse ervaring is bliksem. Wanneer de elektrische lading op een wolk voldoende groot wordt, wordt de sterke kracht op de luchtatomen zo groot dat ze in positief en negatief geladen ionen uiteenvallen. Als de wolk negatief is geladen, trekt het de positieve ionen aan, waardoor de negatieve ionen op zoek gaan naar nieuwe partners en een keten of “jet” door de lucht creëren die men als bliksem ziet.
het standaardmodel legt nu uit hoe deze sterke krachten de elektronenverstrooiingsexperimenten die informatie geven over de elektrische ladingen van de quarks, niet verstoren. De veldtheorie genaamd kwantumchromodynamica (QCD) stelt dat hoewel de krachten tussen quarks zeer sterk worden op lange afstanden, ze zo zwak worden op korte afstanden dat ze volledig verwaarloosbaar zijn bij het verstrooien van hoge energieelektronen. Dit verschil tussen korte en lange afstand gedrag wordt asymptotische vrijheid genoemd.
het indirecte bewijs dat het beeld van de Quark ondersteunt
er is veel indirect bewijs dat het bestaan van de quark ondersteunt: de overeenkomst met de experimentele waarden van de elektrische lading, spin en magnetische momenten van deeltjes met kwark model voorspellingen hebben opvallend bewijs geleverd.
de elektrische ladingen van baryons uit drie quarks met elektrische ladingswaarden +⅔ en – ⅓ kunnen alleen +2, +1, 0 en -1 zijn. De elektrische ladingen van mesonen gemaakt van een quark en zijn lading-geconjugeerd antiquark kunnen slechts 1, 0 en -1 zijn. Vele honderden deeltjes zijn nu bekend, en tot nu toe hebben allemaal alleen deze waarden voor elektrische lading.
de draaiende beweging van de deeltjes en hun gedrag vergelijkbaar met kleine magneten leverden belangrijke aanwijzingen op voor hun structuur. Een draaiende elektrisch geladen top gedraagt zich als een magneet. De sterkte van de kleine magneet van het elektron, het magnetisch moment genoemd, werd met succes beschreven door Paul Dirac ‘ s beroemde theorie en vergelijking.
de magnetische momenten van het proton en het neutron gaven de eerste aanwijzing dat ze niet elementair waren, maar een meer gecompliceerde structuur hadden. Het neutron heeft geen elektrische lading, maar gedraagt zich als een magneet gemaakt van draaiende negatieve lading. Dit suggereert dat het neutron geen elementair object is zonder elektrische lading, maar bestaat uit kleinere bouwstenen met zowel positieve als negatieve ladingen die in tegengestelde richtingen draaien. Het proton magnetisch moment is veel groter dan dat beschreven door Dirac ‘ s theorie.
een van de eerste successen van het quark-model toonde hoe de juiste experimentele waarden van deeltjesspins en magnetische momenten werden verkregen door het optellen van de bijdragen van de quarkspins en magnetische momenten in elk. Een baryon van drie quarks zal drie keer de spin van het elektron of proton hebben als de spins parallel zijn en zal een spin hebben die gelijk is aan de spin van het elektron als de spin van de ene tegengesteld is aan de spin van de andere twee. Een meson gemaakt van een quark en een antiquark zal een spin gelijk aan twee keer de elektronen spin als de spins parallel en nul spin als ze tegenover en annuleren. De draaiingen van alle gemeten deeltjes passen in dit plaatje.
om de waarden van de magnetische momenten in het proton en neutron te verkrijgen, moet men eerst opmerken dat het proton bestaat uit twee u quarks met parallelle spins en een D quark met tegengestelde spin. De U-en d-quarks hebben tegengestelde tekens van elektrische lading, hun magneten wijzen in dezelfde richting wanneer ze in tegenovergestelde richtingen draaien. Elk quark magnetisch moment is evenredig met zijn elektrische lading. Zo dragen de twee u quarks in het proton met lading +⅔ elk +di Dirac-eenheden van magnetisch moment bij, terwijl de D quark met lading – ⅓ in de tegenovergestelde richting draait en bijdraagt-di Dirac-eenheid. In een ruwe benadering voegt men deze toe om het proton magnetisch moment te krijgen als + 5/3 Dirac eenheden. Het neutron heeft twee D quarks met lading-units eenheden en parallelle spins die elk bijdragen – ⅓ eenheden, en een u quark met lading -⅔ en tegengestelde spin bijdragende -⅔ eenheden om een neutron magnetisch moment van -4/3 Dirac eenheden te geven. Dit geeft -5 / 4 voor de verhouding van de proton en neutron magnetische momenten. Een nauwkeuriger berekening met behulp van de kwantummechanische optelling van spins geeft-3/2, wat opmerkelijk goed overeenkomt met de experimentele waarde van -1,46. De som van de neutron-en protonmomenten is ⅓ Dirac-eenheid. Een redelijke aanname voor de waarde van de quark Dirac-eenheid geeft een experimentele waarde van 0,33.
dit is typerend voor de accumulatie van indirect bewijs dat de overtuiging ondersteunt dat quarks de juiste bouwstenen van materie zijn. Eerst komen de elektrische ladingen van het neutron en proton en alle andere deeltjes er goed uit. Ten tweede worden de spins en zeer nauwkeurige correcte waarden voor de magnetische momenten van het neutron en proton uitgelegd. Al deze bevestigen het beeld dat deeltjes zich gedragen “alsof ze uit quarks zijn gemaakt.”Hun elektriciteit, magnetisme en spin zouden heel moeilijk te begrijpen zijn als ze niet uit deze bouwstenen waren gebouwd. Het zou bijvoorbeeld niet duidelijk zijn waarom het neutron, dat geen elektrische lading heeft, een magnetisch moment heeft dat vergelijkbaar is met het proton, dat een elektrische lading heeft, of waarom het neutron ook het tegenovergestelde teken heeft en de juiste verhouding tot het proton moment voorspeld door het quark model.
dit is slechts een voorbeeld van het indirecte bewijs dat de conclusie ondersteunt dat quarks de fundamentele bouwstenen van alle materie zijn. Het standaardmodel dat alle theoretische en experimentele onderzoeken in de deeltjesfysica begeleidt, begint met deze kennis, hoewel geïsoleerde individuele quarks nooit zijn waargenomen.
zie ook: Eightfold Way; Standard Model;Symmetry Principles
Bibliografie
Hirsch, E. D., Jr. the Schools We Need and Why We Don ‘ t Have Them (Doubleday, New York, 1996).Pais, A. subtiele Is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein (Oxford University Press, New York, 1982).
Lipkin, H. J. ” The Structure of Matter.”Nature406, 127 (2002).
Harry J. Lipkin
