Quark
Voor het personage Quark uit Star Trek, zie Quark (Star Trek).
| Quark | ||
|---|---|---|
 | ||
| Samenstelling | Elementair deeltje | |
| Generatie | Eerste, tweede en derde | |
| Interactiekrachten | Zwakke, sterke, elektromagnetische kracht en gravitatiekracht | |
| Symbool | q | |
| Antideeltje | Antiquark () | |
| Spin | ½ | |
Quarks zijn elementaire deeltjes, subatomaire deeltjes die de bouwstenen vormen van hadronen. Het bestaan van quarks werd in 1964 voorspeld door de fysicus Murray Gell-Mann, waarvoor hij in 1969 de Nobelprijs ontving.
Er bestaan in het standaardmodel van de deeltjesfysica zes soorten, ook wel smaken genoemd, quarks: voor elke generatie van elementaire deeltjes een paar. De drie paren worden aangeduid door de Engelse namen up en down, charm en strange, top en bottom, die ook truth en beauty worden genoemd. Dat is in het Nederlands: op, neer, tover, vreemd, top, bodem. De up, charm en top-quark hebben een elektrische lading van +2/3 elementaire lading, de down, strange en bottom-quark hebben een elektrische lading van -1/3. Voor elke quark bestaat er als antideeltje een antiquark, met de tegengestelde lading. Quarks hebben spin ±½, dus zijn fermionen.
Voorkomen
[bewerken | brontekst bewerken]
Alledaagse, normale materie is opgebouwd uit de lichtste quarks, up en down. De op een na lichtste quarks charm en strange zitten ook in deeltjes uit kosmische straling. De top- en bottomquarks komen alleen onder extreme omstandigheden voor: in deeltjesversnellers en bij de oerknal. Ze hebben veel meer energie, zijn zwaarder dan de up en down.
Quarks zijn de bouwstenen van deeltjes die hadronen worden genoemd. Een baryon bestaat uit drie quarks of drie antiquarks en een meson uit een quark en een antiquark.
- Protonen zijn opgebouwd uit één downquark en twee upquarks; de totale lading komt dan op +1 elementaire lading.
- Neutronen bestaan uit twee downquarks en één upquark, met een totale lading van 0. Dat maakt ze neutraal.
Protonen en neutronen bestaan uit dus drie quarks. Doordat quarks fermionen zijn is dit in strijd met het uitsluitingsprincipe van Pauli, dat er zich geen drie fermionen in dezelfde toestand kunnen bevinden. Om dit te ondervangen is het begrip kleurlading geïntroduceerd, hoewel dit geen relatie met de kleuren heeft, die we in het dagelijks leven tegen komen. De drie kleurladingen zijn rood, groen en blauw. Antiquarks hebben een antikleurlading: antirood, antiblauw, antigroen. Gluonen kunnen kleurlading transporteren, waardoor ze de eigenschap van een quark kunnen veranderen.
Deeltjes die zijn opgebouwd uit quarks moeten kleurneutraal zijn. Er zijn nog nooit uit quarks bestaande deeltjes aangetoond die niet kleurneutraal zijn. Kleurneutraal betekent dat een deeltje geen netto kleurlading heeft. Zo zijn de drie kleuren rood, groen en blauw samen kleurneutraal; een kleur en zijn corresponderende antikleur zijn samen ook kleurneutraal. Dit betekent dat een quark nooit op zichzelf kan bestaan, een enkele quark kan nooit kleurneutraal zijn. De baryonen en de mesonen zijn wel kleurneutraal.
Quarks zijn nooit individueel waargenomen, maar alleen in samengestelde deeltjes. Experimenten in deeltjesversnellers geven wel aanwijzingen voor het bestaan van quarks. De kleurentheorie heeft alleen een theoretische basis. Directe waarneming er aan is niet mogelijk, omdat alle waarneembare deeltjes kleurneutraal zijn. De rechtvaardiging van de theorie is dan ook dat deze een consistent model opbouwt van de kerndeeltjes.
Sterke kernkracht
[bewerken | brontekst bewerken]De kracht die quarks bij elkaar houdt in het samengestelde deeltje heet de sterke kernkracht. De quarks worden bij elkaar gehouden doordat zij onderling krachtvoerende deeltjes uitwisselen. Dit zijn de gluonen, van het Engelse glue, lijm. Aangenomen wordt dat de aantrekkende kracht tussen quarks naarmate hun onderlinge afstand groter wordt zoals bij een veer groter wordt. Hoe verder weg twee quarks uit elkaar gaan, hoe meer energie in dit krachtveld gaat zitten. Hierdoor komt een quark nooit alleen voor, want als quarks uit elkaar getrokken worden, gaat daar zoveel energie in zitten dat deze energie in massa wordt omgezet en weer twee quarks gevormd worden. Er ontstaan dan dus weer mesonen, maar nog steeds geen losse quark.
De quarks en gluonen zijn onderdeel van de theorie van de sterke kernkracht: de kwantumchromodynamica. Chromo betekent kleur. Deze theorie uit de jaren 60 en 70 is onderdeel van het standaardmodel van de deeltjesfysica.
De sterke kernkracht bindt quarks in het inwendige van protonen en neutronen aan elkaar, maar werkt ook binnen de atoomkern door en bindt zo ook de protonen ondanks hun onderlinge afstotende elektrische kracht en de neutronen in de atoomkern aan elkaar.
Eigenschappen
[bewerken | brontekst bewerken]Elektrische lading
[bewerken | brontekst bewerken]Quarks hebben een fractionele elektrische lading van -1/3 of 2/3 van de elementaire lading, afhankelijk van het type. Up-, charm- en topquarks (up-type quarks) hebben een lading van 2/3, terwijl down, strange, en bottomquarks (down-type quarks) een -1/3 lading hebben. Antiquarks hebben de tegengestelde lading van hun respectievelijke tegenhangers. Omdat de elektrische lading van een hadron de som is van de ladingen van de quarks waaruit het bestaat, is de waarde van de lading van alle hadronen een geheel getal: de combinatie van drie quarks (baryonen), drie antiquarks (antibaryonen), of een quark en een antiquark (mesonen) resulteert altijd in een lading in de vorm van een geheel getal.
Tabel van eigenschappen
[bewerken | brontekst bewerken]Hieronder staat een tabel met alle bekende quarks. Iedere quark komt in drie kleuren voor, die steeds in elkaar overgaan: gluonen dragen kleurlading van de ene naar de andere quark over.
| Generatie | Zwak isospin | Smaak | Naam | Symbool | Lading (e) | Massa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | + ½ | Iz=+ ½ | upquark | u | +2/3 | ≈ 2,3 MeV/c2 |
| − ½ | Iz=− ½ | downquark | d | −1/3 | ≈ 4,8 MeV/c2 | |
| 2 | + ½ | C=1 | charmquark | c | +2/3 | ≈ 1,275 GeV/c2 |
| − ½ | S=−1 | strange quark | s | −1/3 | ≈ 95 MeV/c2 | |
| 3 | + ½ | T=1 | topquark | t | +2/3 | ≈ 173,07 GeV/c2 |
| − ½ | B′=−1 | bottomquark | b | −1/3 | ≈ 4,18 GeV/c2 |
Behalve quarks zijn er nog andere elementaire deeltjes: de leptonen en de krachtoverbrengende bosonen.
Herkomst en uitspraak van het woord quark
[bewerken | brontekst bewerken]Toen Gell-Mann in 1963 het woord quark bedacht had hij wel een uitspraak in gedachten, maar wist hij nog niet hoe het woord gespeld moest worden. Wat hem betrof had het net zo goed kwork kunnen zijn. Later, tijdens het herlezen van een passage uit de roman Finnegans Wake van de Ierse schrijver James Joyce, kwam hij het woord quark tegen, in de passage
— Three quarks for Muster Mark!
Sure he hasn't got much of a barkAnd sure any he has it's all beside the mark.[1]
Het woord quark was duidelijk bedoeld door de auteur om te rijmen op Mark en bark, wat niet overeenkwam met de door Gell-Mann gewenste uitspraak. Om toch zijn keuze te rechtvaardigen, stelt hij dat de zin mogelijk betekent Three quarts for mister Mark, omdat er wel vaker passages in het boek voorkomen waarin drank besteld wordt. De uitspraak van het woord quart ligt dicht bij de door Gell-Mann beoogde klank van quark. Ook het feit dat er sprake is van drie quarks kwam goed uit, omdat baryonen uit drie quarks bestaan.[2]
Verder
[bewerken | brontekst bewerken]Wetenschappers meldden in 2003 de mogelijke ontdekking van een nieuw soort deeltje: de pentaquark, dat uit vier quarks en een antiquark bestaat. Met experimenten met de Large Hadron Collider van het CERN is met een statistische zekerheid van 15σ gevonden dat een pentaquark bestaat.
Volgens een theoretisch model, in 1974 voorgesteld door Jogesh Pati en Abdus Salam, zouden quarks opgebouwd zijn uit een nog kleiner deeltje: het preon, maar hiervoor is nog geen experimenteel bewijs gevonden. Ze worden in het standaardmodel van de deeltjesfysica niet genoemd.
Fermionen
[bewerken | brontekst bewerken]- ↑ Joyce, James (2012). Finnegans Wake. Wordsworth, II 4, p. 383. ISBN 978-1-84022-661-4.
- ↑ Gell-Mann, M. (1995). The Quark and the Jaguar. Adventures in the Simple and the Complex. Abacus, p. 180. ISBN 978-0-349-10649-6.
· 
· 
