De smaken van quark

Natuurkundige verkent modellen allerkleinste bouwsteentjes

CERNOnderdeel van de deeltjesversneller CERN, in Genève.

Door Constanteyn Roelofs

Het standaardmodel om zogeheten quarks, de kleine deeltjes-materie, te beschrijven is onvolledig. Een Leidse quantumfysicus onderzoekt andere ordeningen. ‘De kaarten kunnen telkens anders liggen.’

Over smaakt valt niet te twisten. Waarom verschijnt er dan toch een proefschrift met de intrigerende naam A flavour of family symmetries in a family of flavour models van de hand van Reinier de Adelhart Toorop? Wel, omdat we smaak niet alleen tegenkomen in de gastronomie, maar ook in de quantumfysica, waar men zich bezighoudt met de allerkleinste bouwsteentjes van de materie in en om ons heen.
Natuurkundigen kennen al langer het recept voor stabiele materie: een wolk elektronen rond een atoomkern van neutronen en protonen. De elektronen beschouwen we als elementair, dat wil zeggen niet meer op te delen in kleinere brokjes.
De protonen en neutronen zijn dat wel. Bij ontleding onderscheiden natuurkundigen twee soorten zogeheten quarks, up en down, per proton of neutron altijd drie in getal – een proton is up, up, down en een neutron is down, down, up. Daarnaast treffen ze nog het schimmige neutrino aan, een deeltje zonder elektrische lading en met bijna geen massa dat overal door het heelal heen zwerft. Dit zijn de bouwblokjes van alle materie. Up en down worden ook wel smaken van quark genoemd. Elektronen en neutrino’s zijn geen quarks, maar wel aan elkaar verwant: ze worden onder de naam leptonen (van het Griekse woord voor klein) samengevat.
Het geheel wordt bij elkaar gehouden door drie krachten; de sterke kernkracht die ervoor zorgt dat atoomkernen bij elkaar blijven, de zwakke kernkracht die zaken als radioactief verval veroorzaakt en de elektromagnetische kracht.
Deze stand van zaken was nauwelijks beschreven, of er doken alweer nieuwe smaken quarks en leptonen op. Het bleek dat elk quark twee broertjes had: up kreeg gezelschap van charm en top, down van strange en bottom. Het elektron bleek verwant aan het muon en het tau-lepton. En tot slot bleken er drie neutrino’s te bestaan. Opeens waren er dus drie keer twee setjes van smaken. Deze “broertjes” uit familie twee en drie hebben vrijwel dezelfde eigenschappen als de leden van familie één. De belangrijkste eigenschappen, de elektrische lading en de spin zijn hetzelfde. Het grote verschil is de massa, die kan afhankelijk per familielid opeens met een factor honderd verschillen.
Interactie van de deeltjes door middel van de zwakke kernkracht zorgt er echter voor dat de zware broertjes binnen een fractie van een seconde uiteenvallen in elektronen en up en down-quarks – daarom komen we ze niet tegen in gewone materie. We vinden de deeltjes alleen nog terug als ze voorkomen in uitzonderlijke omstandigheden. Om ze goed te kunnen onderzoeken moeten de deeltjes kunstmatig worden opgewekt in deeltjesversnellers.
Deze verdeling staat bekend als het standaardmodel en werkt aardig om de resultaten uit de deeltjesversneller te beschrijven. Maar het model is lang niet volledig. De vraag waarom er zo’n mooie structuur zit in de drie families blijft onbeantwoord. Waarom zijn er bijvoorbeeld geen vier families? De Adelhart Toorop: ‘De vraag ligt nog open. In de traditionele theorie is het antwoord “nee”. Het bestaan van de drie families wordt als een experimenteel feit gezien, maar niet verklaard. Maar er moet een reden voor zijn.’
Vandaar dat het standaardmodel regelmatig wordt uitgebreid met zogenaamde velden: theorieën die nieuwe deeltjes en mechanismen van interactie toevoegen.
In zijn proefschrift verkent Reinier de Adelhart Toorop de mogelijke verklaringen voor de overeenkomsten, de symmetrie, in de families om de orde in de gevonden deeltjes te verklaren. Hij onderzoekt of er structuur zit in de manier waarop de neutrino’s interactie aangaan via de zwakke kernkracht. Neutrino’s komen namelijk wel in alle drie de smaken voor ‘in het wild’, omdat de deeltjes als het ware heen en weer wiebelen tussen de drie smaken terwijl ze door de ruimte bewegen. Afhankelijk van het moment waarop je het observeert is de neutrino small, medium of large. Dit levert weer andere modellen op, die de samenhang tussen de deeltjes kan worden verklaard. Het merkwaardige is dat de neutrino’s niet in alle toestanden met elkaar interactie aangaan: pas bij specifieke combinaties gebeurt er wat. Waarom, is vooralsnog een raadsel.
Een andere mogelijkheid is dat er een verband bestaat tussen familiesymmetrie en de zogeheten Grand Unified Theory. Deze stelt dat er niet drie verschillende krachten zijn, maar dat er een kracht is die op verschillende energieniveaus anders werkt. Dit maakt het model aanmerkelijk simpeler, maar dat is lastig aan te tonen. De fotonen die gebruikt worden om de deeltjes te bekijken in deeltjesversnellers worden namelijk ook beïnvloed door het energieniveau waarop de experimenten zich afspelen, waardoor de onderzoeksresultaten worden vertroebeld.
De werktitel voor zijn proefschrift was The Beauty and the Beast, zegt de promovendus. ‘Beauty’, omdat het veld van de familiesymmetrieën op verschillende manieren passende modellen kan opleveren, die ook weer kunnen dienen als basis voor het verklaren van andere mysteries in de deeltjesfysica, zoals de raadsels rond de duistere materie en het eventuele bestaan van het Higgs-deeltje. En het beestachtige? ‘De slechte boodschap is dat de structuur die de familiemodellen inspireert, misschien toch minder overtuigend is dan eerst gedacht werd.’ Vooral de data uit de interactiepatronen laat nog veel grilligheden zien.
De Adelhart Toorop: ‘In ieder geval kunnen we stellen dat de elementaire-deeltjesfysica de vraag “Waar is dat van gemaakt?” beantwoord denkt te hebben. De vraag “Zit daar structuur in?” wordt sowieso bevestigend beantwoord, maar de hoeveelheid structuur is nog onderwerp van debat. Er zijn nog veel antwoorden mogelijk voor de vraag ‘Is daar een reden voor?’ En zodra er nieuwe antwoorden komen op de eerste vraag – bijvoorbeeld als deeltjesversnellers weer nieuwe, onverwachte deeltjes vindt – kunnen alle kaarten weer anders liggen.’

Deel dit bericht: