Site pictogram Astroblogs

Massa van de lichtste quarks nog nauwkeuriger bepaald

Natuurkundigen van FLAG (Flavour Lattice Averaging Group) zijn er in geslaagd om de massa van de drie lichtste quarks nog nauwkeuriger te bepalen. Geen eenvoudig werkje om dat te doen, want quarks komen nooit in losse, vrije toestand in de natuur voor, ze zitten altijd met anderen opgesloten in samengestelde deeltjes, zoals protonen, neutronen of andere vormen van hadronen. Protonen en neutronen behoren tot de baryonen – een subcategorie van de hadronen – en ze bestaan uit drie quarks, pionen en kaonen behoren tot de mesonen – een andere subcategorie – en die bestaan uit twee quarks. Eh… hallo, zijn jullie er nog? 😀

hadronen

Credit: FNAL

nucleons

Credit: Matt Strassler

Er zijn zes soorten quarks en daarvan zijn voor ons eigenlijk alleen de drie lichtste soorten van belang: up (u), down (d) en strange (s), yep we hanteren de Engelse termen. In alle ons omringende materie zitten protonen en neutronen, dus die twee samengestelde deeltjes zijn voor ons het meest van belang. Een proton (massa = 938,272 MeV) bestaat uit één d-quark en twee u-quarks, een neutron (m=939,565 MeV) uit twee d-quarks en één u-quark. Zo dus:Je ziet dat die quarks in de afbeelding ook nog een kleur hebben en dat is juist: quarks bezitten een zogenaamde kleurlading. Het voert te ver om daar nu op door te gaan, maar de totale kleurlading van het samengestelde deeltje is altijd 0. Dan die massa van de quarks. Al sinds de ontdekking van de lichtste quarks eind jaren zestig probeert men de massa ervan te meten. Maar omdat ze zoals gezegd nooit in losse toestand in de natuur voorkomen, zelfs niet in de hoogenergetische toestand in deeltjesversnellers, valt het niet mee hun massa te meten. De FLAG-groep is nu met behulp van de zogenaamde Lattice QCD tot de volgende massa gekomen:

mu = 2,16 MeV md = 4,68 MeV ms = 93,8 MeV

nucleons31

Credit: Matt Strassler

Eh… wacht eens even, hier klopt iets niet. Een proton bestaat toch uit één d-quark en twee u-quarks? Dan moet z’n massa toch 4,68 + 2,16 + 2,16 = 9 MeV zijn en niet ruim 938 MeV zoals hierboven staat? En een neutron zou met twee d-quarks en één u-quark toch 11,3 MeV massa moeten hebben en niet ruim 939 MeV? Hoe kan dat? De verklaring is simpel: protonen en neutronen hebben een massa die zo groot is als hierboven vermeld – dus 938,272 resp. 939,565 MeV – alleen wordt die massa niet uitsluitend bepaald door de quarks in hun binnenste. Want behalve de drie quarks zit er in het binnenste van protonen en neutronen nog meer, namelijk massaloze gluonen die de dragers zijn van de sterke wisselwerking of kernkracht tussen de quarks én een wolk van virtuele paren van quarks en antiquarks. Dat eenvoudige plaatje van een proton en neutron hierboven is daarom in werkelijkheid een stuk ingewikkelder en ziet er ongeveer zo uit:Het blijkt dat de massa van protonen en neutronen gevormd wordt door een combinatie van ingrediënten: de massa van de quarks, de potentiële en kinetische energie van de quarks en de wolk van virtuele quark- antiquarkparen en tenslotte de potentiële en kinetische energie van de gluonen. Er wordt wel eens beweerd dat protonen en neutronen hun massa te danken hebben aan het Higgs deeltje, maar dat is onjuist. Alleen de niet-virtuele quarks hebben hun massa daaraan te danken, dus 9 MeV van de massa van een proton en 11,3 MeV van de massa van een neutronen vinden hun oorsprong in het Higgs mechanisme, de rest ontstaat door andere processen. Bron: Francis (th)E Mule + Of Particular Significance.

FacebookTwitterMastodonTumblrShare
Mobiele versie afsluiten