28 september 2020

De meeste massa van protonen en neutronen komt niet van Higgs-bosonen maar van… pionen en gluonen

Credit: CERN

Over de in 2012 met de Large Hadron Collider ontdekte Higgs bosonen wordt verteld dat ze elementaire deeltjes hun massa geven – da’s op zich juist – en dat ze daarmee ook zorgen voor de massa van protonen en neutronen – da’s onjuist. Protonen en neutronen zijn samengestelde deeltjes, geen elementaire deeltjes. Ze bestaan uit drie quarks, die voor zover we weten wel elementair zijn, protonen bestaan uit één d-quark en twee u-quarks, neutronen uit twee d-quarks en één u-quark. Dat d- en u-quarks slaat op de soorten quarks, waarvan er zes zijn: de lichtste quarks, up (u) en down (d), de op een na lichtste quarks – charm (c) en strange (s) en dan tenslotte de zware top- (t) en bottom-quarks (b). Ja, de quarks krijgen hun massa inderdaad door de Higgs bosonen via het zogeheten Higgs mechanisme – hierbij aangetekend dat we het dan hebben over de ‘valentie quarks’, de echte quarks en niet de wolk van virtuele quarks en antiquarks, die daar omheen zoemen en die continue opploppen en weer verdwijnen.

De drie valentie quarks van protonen en neutronen (credit: Matt Strassler).

OK, protonen en neutronen bestaan uit drie quarks, die hun massa van het Higgs boson krijgen, dan is de massa van de samengestelde protonen en neutronen toch ook afkomstig van de Higgs bosonen, ook al is het indirect? Nee, dat laatste is niet het geval. De massa van protonen en neutronen is namelijk zwaarder dan de optelsom van de afzonderlijke quarks waaruit ze bestaan. Het is heel ingewikkeld om de massa van afzonderlijke quarks te bepalen, omdat ze altijd opgesloten zitten samen met anderen en nooit los in de vrije natuur voorkomen, een verschijnsel dat confinement wordt genoemd. Al in 1968 werd met de SLAC detector waargenomen dat protonen samengesteld moeten zijn, maar het kost de natuurkundigen nog altijd moeite om de massa exact te bepalen. De laatste metingen geven de volgende waarden aan voor de u- en d-quarks:

mu = 2,16 MeV md = 4,68 MeV

De massa van protonen en neutronen is nauwkeuriger bepaald: protonen hebben een massa van 938,272 MeV, neutronen zijn met 939,565 MeV iets zwaarder. Maar wacht even, 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. Juist ja, slechts een klein gedeelte van de massa van de protonen en neutronen wordt gevormd door de massa van de valentie quarks en daarmee door de Higgs bosonen.

Credit: Wikipedia

Maar waar komt dan de rest vandaan, de overige 99% van hun massa? Die komt van gluonen en pionen – gluonen die zorgen voor een continue uitwisseling van de sterke wisselwerking tussen de quarks, de pionen die zorgen voor de uitwisseling van de kernkracht, ook wel de nucleaire kracht genoemd, tussen de protonen en neutronen (die ook wel nucleonen worden genoemd, zie afbeelding hierboven). Beide interacties leveren een zogeheten ‘achtergrond condensaat’ of ‘vacuum expectation value‘ (VEV) op en dat vormt de rest van de massa van protonen en neutronen. Met name dat laatste deeltje, het pion of pi meson, is een deeltje dat tamelijk onderbelicht is in de media. Het komt in drie variaties voor, het positief geladen pion (?+), het negatief geladen pion (?-) en het neutrale pion (?). Het is een kortlevend deeltje, al in 1947 ontdekt, dat gemiddeld na 26 nanoseconde (2.6×10-8 seconden) al vervalt.

Schets van ALICE, welke binnenkort botsingen met loodionen gaat waarnemen. Credit: ALICE Collaboration.

Zoals ik eerder zei valt het bepalen van de massa van afzonderlijke quarks niet mee en dat kan ook gezegd worden van de wijze waarop gluonen en pionen het overgrote deel van de massa van protonen en neutronen vormen. Het zijn met name experimenten met zware atoomkernen, zoals ze doen met goud en lood in de LHC en ook in de RHIC in het Amerikaanse Brookhaven, waarmee ze dit bestuderen. Bij de LHC doen ze dat met de ALICE detector (zie afbeelding hierboven), die eind van dit jaar weer van start gaat. Met ALICE en de RHIC wordt in feite het moment nagebootst van de oerknal, toen de temperatuur zo heet was dat quarks en gluonen wel in vrije toestand voorkwamen en een quark-gluon plasma vormden. Mocht uit die experimenten nieuwe informatie komen dan laat ik het jullie direct weten. Bron: Backreaction.

Comments

  1. En ondanks dat de protonen en neutronen uit quarks bestaan zal een neutron bij verval vervallen in een proton, elektron en elektron anti-neutrino. Dus een down-quark wordt dan ‘omgevormd’ naar een up-quark, elektron en elektron anti-neutrino via een W- boson. Toch ‘grappig’ hoe een elementair deeltje kan worden omgezet in een ander elementair deeltje.. dan vraag ik me toch een beetje af hoe elementair een elementair deeltje is. Zelfde met neutrino oscillatie die daardoor energie wint of verliest.

  2. Hoe elementair is een elementair deeltje? Zeer boeiende vraag en daarmee komen we terecht in het domein van de snaartheorie. Vooralsnog is dat laatste pure theorie, zonder indicaties voor experimentele verificatie, maar er is veel progressie in dat domein.

    • Of preonen…

      Maar vooralsnog zijn er van preonen of snaren nog weinig tot geen aanwijzingen gevonden.

      Groet, Paul

    • De string theorie is dan een theorie die verder gaat dan de quarks en leptonen, maar is er binnen de string theorie een verklaring hoe quarks van de ene in de andere kunnen veranderen? Dus hoe up- en down-quarks in elkaars gedaante kunnen wisselen. Hoe zijn deze quarks volgens de string theorie opgebouwd? En heeft de string theorie dan ook een verklaring voor neutrino oscillatie?

      Al vraag ik me persoonlijk af hoe correct de string theorie gezien einstein’s benadering van zwaartekracht nog steeds bewezen wordt. Sluit dit gravitonen niet uit of is er nog steeds een mogelijkheid einstein’s zwaartekracht te verklaren met formule’s uit de string theorie?

  3. Als ik goed ben geïnformeerd…
    [ ik probeer juist ‘de deeltjesdierentuin’ (2012) en ‘de deeltjessafari’ (2014) van Jean-Paul Keulen te begrijpen ]
    … dus dat zal wel niet 🙂

    … zijn pionen : Ï€ -mesonen.
    En mesonen bestaan voor de helft uit antimaterie.
    Ik weet de massaverhouding gluonen / Ï€-mesonen niet, maar kan ik voorzichtig concluderen dat zo’n kwart van onze massa dan afkomstig is van antimaterie?

    Groet, Paul

    [ Na Jean-Paul Keulen’s duo staat Martinus Veldman’s ‘Feiten en Mysteries in de deeltjesfysica’ (2003) op me te wachten. Dat boek heb ik al 12 jaar ongelezen in huis. Ja, het gaat er nu toch van komen, tenzij iemand hier zegt dat het te verouderd is. 😀 ]

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: