Wat zijn quarks

Inleiding

Lang is onduidelijk geweest of quarks nu eigenlijk wel bestaan. Waarom men moeite met het idee van quarks had zal ik zo noemen. Maar eerst de vraag: Wat zijn quarks?

Wat zijn quarks?

Lang heeft men het proton en neutron (hadronen) als een elementair deeltje beschouwd. Dat wil zeggen: niet op te delen in kleinere deeltjes (zoals het electron nu nog wordt beschouwd). In 1964 kwamen echter Murray Gell-Mann en George Zweig elk met hun quark-model. Hierin stelden zij dat hadronen bestaan uit een samenstelling van verschillende kleinere deeltjes: Quarks.

Dit betekende dus dat niet hadronen, maar deze quarks elementair waren. Gell-Mann en Zweig introduceerden quarks met drie verschillende "smaken": up-quark (u), down-quark (d), en strange-quark (s). Zo zou een proton bestaan uit twee up-quarks en één down-quark. Een neutron bestaat volgens deze theorie uit twee down-quarks en één up-quark.

Later werd deze theorie uitgebreid met drie andere smaken: charmed-quark (c), top-quark (t) en bottom-quark (b).

Eigenschappen van quarks

Nu zijn Spin, Isospin (I3 is isospin in de z-richting) en Vreemdheid moeilijk uit te leggen begrippen (quantumgetallen). Daarom zal ik aan de hand van de beter bekende lading uitleggen wat de meerwaarde van het quark-model is.

Kijkt bijvoorbeeld naar de lading van een proton (uud), namelijk +1, dan is gemakkelijk te zien dat deze overeenkomt met de opgetelde ladingen van twee up- en één down-quark. Ook bij het neutraal geladen neutron (ddu) kom je na optelling van de quarkladingen bij nul uit.

Dit behoud moet gelden voor alle quantumgetallen. Kortgezegd: telkens als er weer een behoud van quantumgetal niet leek op te gaan is er een nieuwe toegevoegd. Veel van deze grootheden hebben dan ook niet direct een fysische betekenis.

Probleem met het quark-model

Zoals ondertussen wel duidelijk wordt is dat het quarkmodel een hoge mate van abstractie heeft. Quantumgetallen zonder directe fysische betekenis vragen wel erg veel fantasie.

Maar het grootste probleem bij de introductie van dit model had de natuurkundige gemeenschap met de ladingen kleiner dan de eenheidslading. Dit was tot die tijd beschouwd als een natuurconstante, en dus niet deelbaar. Een verschil tussen de lading van een proton en een electron (afgezien van het min-teken) is tot op heden niet gemeten. Daar walst het quark-model met zijn 1/3 en 2/3 ladingen opeens doorheen.

Ook is tot op heden nog nooit een individuele quark gemeten.

Huidige status

Toch raken wetenschappers het er steeds meer over eens dat de quark wel degelijk een elementair deeltje is (en de hadron dus niet). Voor dit deeltje zou het per definitie onmogelijk zijn om ze individueel te meten.

Het model heeft een aantal voorspellingen gedaan die toch wel dicht bij de waarheid bleken te liggen. Zo heeft men aan de hand van dit model de massa van de top-quark nauwkeurig kunnen voorspellen.