Een proton (voorgrond) bestaat uit drie quarks, elk met een unieke eigenschap die kleur wordt genoemd. Ze worden vastgehouden door de sterke atoomkracht.
(Afbeelding: © Lawrence Berkeley National Laboratory)
Paul M. Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een Spaceman en Space Radio, en auteur van Jouw plaats in het universum. Sutter heeft dit artikel bijgedragen Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Alle vier bekende natuurkrachten hebben hun eigen unieke plek. Zwaartekracht, elektromagnetisme, zwak nucleair, sterk nucleair: elk beheerst een klein domein van ons leven. Terwijl onze alledaagse ervaringen worden gedomineerd door de zwaartekracht van de aarde en het elektromagnetisme van licht en koelkastmagneten, spelen ook de tweelingkernkrachten een sleutelrol - alleen op zeer kleine schaal.
Hoe klein? Stel je voor dat je ballonvaren om zo groot te worden als het zonnestelsel. Je handen zwemmen door de Oort Cloud zelf nestelen de planeten zich boven je navel. Je bent zo groot dat elektrische signalen weken of zelfs maanden nodig hebben om hun reis door je zenuwstelsel te maken, waardoor zelfs de eenvoudigste gebaren pijnlijk traag worden.
Dat is het verschil tussen je huidige maat (ongeveer een paar meter) en 10 ^ 15 meter.
Voer het nu in omgekeerde volgorde uit. Stel je een schaal voor die zo klein is dat je huidige lichaam net zo groot aanvoelt als het zonnestelsel. Een schaal waarop je bewegingen zo snel mogelijk voortgaan. Deze ongelooflijk kleine schaal is de femtometer: 10 ^ -15 meter. Het is de schaal van de atoomkern.
In het proton
Van bovenaf is het verleidelijk om het proton als een enkel deeltje te beschouwen. Een harde schaal met positieve lading en massa, die net zo gemakkelijk kan stuiteren en kloppen als een biljartbal. Maar in werkelijkheid bestaat een proton uit drie kleinere deeltjes. Deze deeltjes hebben de heerlijk eigenzinnige naam van quarks. Er zijn in totaal zes soorten quarks in de natuur, maar voor een nauwkeurig onderzoek van het proton hoeven we ons maar om twee ervan te bekommeren, de up- en down-quarks.
Zoals ik al zei, een proton is een triplet van quarks: twee up-quarks en één down-quark. Deze quarks verbinden zich als een team en dat gebonden team is wat we een proton noemen.
Behalve, dat zou niet logisch zijn.
De twee up-quarks hebben exact dezelfde elektrische lading (omdat ze exact hetzelfde soort deeltje zijn), dus ze zouden elkaar absoluut moeten haten. Hoe blijven ze zo stevig vastgelijmd?
Bovendien weten we van de kwantummechanica dat twee quarks niet exact dezelfde toestand kunnen hebben - je kunt er niet twee van dezelfde soort op zo'n manier aan elkaar hebben. Die twee up quarks mogen niet zo samen naast elkaar bestaan. En toch tolereren ze elkaar niet alleen, maar lijken ze ook echt van het gezelschap te genieten!
Wat gebeurd er?
Een andere kleur
In de jaren vijftig en zestig begonnen natuurkundigen te beseffen dat het proton niet fundamenteel is - het kan in kleinere delen worden opgesplitst. Dus deden ze een aantal experimenten en ontwikkelden ze een aantal theorieën om die specifieke noot te kraken. En ze kwamen meteen a) het bestaan van quarks en b) de raadselachtige raadsels hierboven tegen.
Iets hield die drie quarks bij elkaar. Iets heel, heel sterk. Een nieuwe natuurkracht.
De sterke kracht.
De toen veronderstelde sterke kracht loste de problemen van het naast elkaar bestaan van quarks op door eenvoudige brute kracht. Oh, je houdt er niet van om samen te zijn omdat je niet dezelfde staat kunt delen? Nou, jammer, de sterke kracht zal ervoor zorgen dat je het toch doet, en het zal een oplossing bieden voor dat probleem.
En elke kracht heeft een verbindingspunt. Een haak. Een manier om die kracht te vertellen hoeveel je erdoor wordt beïnvloed. Voor de elektromagnetische kracht is het de elektrische lading. Voor de zwaartekracht is het de massa. Voor de sterke kernkracht moesten natuurkundigen een nieuwe haak bedenken. Een manier voor een quark om via die kracht verbinding te maken met een andere quark. En natuurkundigen kozen voor het woord kleur.
Dus als jij of een deeltje dat je kent een nieuwe eigenschap heeft die kleur heet, dan krijg je de sterke kernkracht te voelen. Je kleur kan rood, groen of blauw zijn (verwarrend is er ook antirood, antigroen en antiblauw, want het leven is natuurlijk niet zo eenvoudig). Om een deeltje als een proton te bouwen, moeten alle kleuren van de quarks optellen tot wit. Zo krijgt de ene quark de rode kleur, de andere de groene en de laatste de blauwe. De specifieke toewijzing van kleur doet er eigenlijk niet toe (en in feite veranderen de individuele quarks constant van kleur), het gaat erom dat ze allemaal optellen tot wit en dat de sterke kracht zijn werk kan doen.
Deze nieuwe eigenschap van kleur stelt de quarks in staat een toestand binnen een proton te delen. Met kleur zijn geen twee quarks precies hetzelfde - ze hebben nu verschillende kleuren.
Super kracht
Stel je voor dat je twee kleine tangen neemt en twee van de quarks in het proton grijpt. Je traint, dus je bent in staat om de kracht van de sterke nucleaire kracht die ze bij elkaar houdt te overwinnen.
Maar hier is iets raars aan de sterke kracht: het neemt niet af met de afstand. Andere krachten, zoals zwaartekracht en elektromagnetisme, doen dat wel. Maar de sterke kracht blijft net zo sterk als altijd, ongeacht hoe ver die quarks van elkaar verwijderd zijn.
Dus terwijl je aan die quarks trekt, moet je steeds meer energie toevoegen om de scheiding te behouden. Je voegt uiteindelijk zoveel energie toe dat, energie die gelijk is aan massa en zo, nieuwe deeltjes verschijnen in het vacuüm tussen de quarks. Nieuwe deeltjes zoals ... andere quarks.
Deze nieuwe quarks vinden bijna onmiddellijk hun pas gescheiden vrienden en binden zich aan elkaar, gooi al je harde werk en zweet weg in een enkele flits van energie voordat de afstand tussen hen zelfs merkbaar is. Tegen de tijd dat je denkt dat je de quarks hebt gescheiden, hebben ze al nieuwe gevonden om aan te binden. Dit effect staat bekend als quark-opsluiting: de sterke kracht is eigenlijk zo verdomd sterk dat het ons belet ooit een quark afzonderlijk te zien.
Het is jammer dat we nooit zullen zien wat de kleur is.
Lees meer door naar de aflevering te luisteren 'Wat maakt de sterke kracht zo sterk?' op de Ask A Spaceman-podcast, beschikbaar op iTunes en op het web op http://www.askaspaceman.com. Dank aan Kayja N. en Ter B. voor de vragen die tot dit stuk hebben geleid! Stel je eigen vraag op Twitter met #AskASpaceman of door Paul @PaulMattSutter en facebook.com/PaulMattSutter te volgen.
- Natuurkundigen hebben zojuist een heel vreemd deeltje gedetecteerd dat helemaal geen deeltje is
- Er bestaat meer dan één realiteit (in de kwantumfysica)
- Waarom natuurkundigen geïnteresseerd zijn in de Mysterious Quirks of the Heftiest Quark
