28 september 2020

Waarom zijn er drie smaken van elementaire deeltjes?

Credit: Artwork by Sandbox Studio, Chicago

Het Standaard Model (SM) van de elementaire deeltjes en krachten tussen die deeltjes kent drie zogeheten smaken of generaties van deeltjes. Binnen SM wordt onderscheid gemaakt tussen de fermionen, de deeltjes die materie vormen, en bosonen, de deeltjes die de krachten tussen de fermionen dragen. De fermionen bestaan op hun beurt weer uit zes quarks (up, down, charm, strange, bottom en top) en zes leptonen (elektronen, muonen, tau, elektron-neutrino, muon-neutrino en tau-neutrino). De fermionen kennen drie smaken of generaties en de tweede en derde smaak zijn een exacte kopie van de eerste generatie, behalve dat ze meer massa hebben.

Grote vraag van de natuurkundigen is waarom er drie smaken zijn? Of zijn er wellicht meer smaken, generaties elementaire deeltjes die we nog niet ontdekt hebben? In theorie zou een heelal goed kunnen bestaan met alleen de eerste generatie van deeltjes, de u- en d-quarks, de elektronen en elektron-neutrino’s, al deze deeltjes zijn in theorie stabiel. Met grote deeltjesversneller zoals de Large Hadron Collider (LHC) van CERN bij Genève doen natuurkundigen onderzoek aan de elementaire deeltjes en daarbij proberen ze onder andere een oplossing te zoeken voor het smaak-probleem, zoals de vraag ook wel wordt genoemd.

Dubbelklik om een interactieve voorstelling van het Standaard model te openen. Credit: Artwork by Sandbox Studio, Chicago.

Theoretici hebben daar al verschillende ideeën voor geopperd, maar echte aanwijzingen daarvoor zijn nog niet gevonden. Zo denken sommigen dat alle genoemde deeltjes niet echt elementair zijn, maar weer uit kleinere deeltjes bestaan, de zogeheten preonen. Een ander voorstel luidt dat er eigenlijk maar één generatie deeltjes is, dat in een hogere ruimtedimensie voorkomt. De andere generaties zijn deze ene generatie, alleen dan bekeken vanuit een ander standpunt.

Een ander idee is dat er meer generaties zijn dan de drie nu bekende generaties. Tussen de drie generaties is een groot massa-verschil – het tau-elektron is 3600 keer zwaarder dan het elektron en het top-quark is maar liefst 100.000 keer zo zwaar als het up-quark en 175 keer zwaarder dan een proton – dus een vierde generatie moet heel erg zwaar zijn. Alle generaties behalve de eerste zijn niet stabiel, dus alle hogere-generatiedeeltjes vervallen in korte tijd in lagere-generatiedeeltjes, tot de deeltjes van de eerste generatie worden bereikt. De quarks van de vierde generatie worden t’ en b’ genoemd (dus top prime en bottom prime).

Veel onderzoek is er voor het zwaarste quark, het top quark. Credit: Artwork by Sandbox Studio, Chicago

Veel onderzoek ziet het top quark als een cruciaal deeltje. Het is het enige quark dat direct zichtbaar is in de detectoren zoals CMS en ATLAS van de LHC, het is nauw verbonden aan het Higgs boson, het deeltje dat de elementaire deeltjes hun massa geeft, én het is het deeltje dat ons inzicht geeft in de vraag of ons heelal stabiel is of niet. De vraag of er drie of meer generaties zijn is ook van belang voor de speurtocht naar supersymmetrische deeltjes, SUSY-deeltjes. Als die bestaan moeten daar ook drie generaties van bestaan, alleen is daar de massa-volgorde precies andersom: het supersymmetrische top-quark (‘stop’) is niet het zwaarste quark, maar juist het allerlichtste. Symmetry Magazine + Fermilab + Symmetry Magazine + Science Daily + Particle Bites.

Comments

  1. ” Waarom er 3 generaties elementaire deeltjes zijn ” ?

    Als ik het goed begrijp, is op die vraag eigenlijk nog geen antwoord. :-/ 🙂
    Maar waarschijnlijk blijft het wel bij 3 generaties, althans dat las ik onlangs in
    ‘De deeltjessafari’ van Jean-Paul . Tenzij SuSy bestaat of indien er meerdere Higgs-deeltjes bestaan.

    bedankt voor het interessante artikel, Arie

    Groet, Paul

  2. Ff kijken naar de massa-getallen voor deze drie generaties of daar lijn in te ontdekken valt:
    Exponentiële notatie: mEn = m*10^n , afgerond in eV (electronvolt) ; boson kracht

    2E6 , 1E9 , 2E11 ; 0 of?
    5E6 , 1E8 , 4E9 ; 0 of?
    2E0 , 2E5 , 2E7 ; 9E10
    5E5 , 1E8 , 2E9 ; 8E10

    Kan best nog wel wat ontdekken bij CERN die versnelt tot 6.5E12 eV per straal 1.3E13 eV totaal.
    Ik bedoel, vooral die tweede reeks quarks (down strange bottom),
    die kon toch al een opvolger hebben laten zien volgens Bartjens.
    Stomme is dat dat volgende deeltje in de reeks ook best net wel buiten het bereik van CERN kan liggen (sec de getallen genomen).

Speak Your Mind

*

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

%d bloggers liken dit: