De sterke kernkracht is, zoals je misschien al geraden hebt, inderdaad een zeer sterke kracht. Ze is zo krachtig dat ze in staat is de kleinste deeltjes in het heelal voor zeer lange tijd, mogelijk voor altijd, samen te trekken. Deeltjes die gebonden zijn door de sterke kracht vormen de bouwstenen van onze alledaagse wereld: protonen en neutronen. Maar als je een proton of neutron zou opensnijden, zou je geen mooie, eenvoudige ordening van subatomaire deeltjes aantreffen. In plaats daarvan zou je het smerige binnenste zien van misschien wel een van de meest complexe krachten in het universum.
Protonen en neutronen zijn niet de enige dingen die de sterke kracht kan maken, maar we begrijpen de andere, meer complexe en exotische ordeningen niet echt. Sterker nog, zelfs onze waarnemingen en experimenten zijn zelf erg schetsmatig. Maar natuurkundigen zijn hard aan het werk om inzicht te krijgen in deze fundamentele natuurkracht.
Gerelateerd: De Grootste Onopgeloste Mysteries in de Natuurkunde
Sterk en complex
Om de sterke kracht te beschrijven, kunnen we haar het beste afzetten tegen haar veel beroemdere neefje, de elektromagnetische kracht. Bij de elektromagnetische kracht zijn de dingen eenvoudig, gemakkelijk en rechtlijnig; zozeer zelfs dat wetenschappers in de jaren 1900 in staat waren het grotendeels te doorgronden. Met de elektromagnetische kracht kan elk deeltje meedoen, zolang het maar een eigenschap heeft die elektrische lading wordt genoemd. Als je deze lading hebt, dan kun je de elektromagnetische kracht voelen en erop reageren. En allerlei deeltjes van alle soorten en maten dragen een elektrische lading, zoals uw tuinvariëteit elektron.
Een ander deeltje, het lichtdeeltje (ook bekend als het foton), doet het werk van het overbrengen van elektromagnetische kracht van het ene geladen deeltje naar het andere. Het foton zelf heeft geen eigen elektrische lading, en is massaloos. Het reist met de snelheid van het licht, heen en weer flitsend door het heelal, waardoor het elektromagnetisme ontstaat.
Elektrische lading. Een enkele drager van de elektromagnetische kracht. Eenvoudig, rechttoe rechtaan.
Er zijn daarentegen zes deeltjes die onderhevig zijn aan de sterke kernkracht. Als groep staan zij bekend als de quarks en hebben voldoende eigenzinnige namen als up, down, top, bottom, strange en charm. Om de sterke kernkracht te voelen en erop te reageren, hebben deze quarks een eigen lading. Het is geen elektrische lading (hoewel ze ook een elektrische lading hebben en ook de elektromagnetische kracht voelen), maar om verschillende redenen die de dingen erg verwarrend maken, noemen natuurkundigen deze speciale lading die geassocieerd is met de sterke kernkracht de kleurlading.
De quarks kunnen een van de drie kleuren hebben, die rood, groen en blauw worden genoemd. Voor de duidelijkheid, het zijn geen echte kleuren, maar slechts labels die we aan deze vreemde, lading-achtige eigenschap geven.
Dus, quarks voelen de sterke kracht, maar die wordt gedragen door een hele reeks andere deeltjes – acht, om precies te zijn. Ze worden gluonen genoemd en ze kunnen quarks heel goed aan elkaar lijmen. De gluonen hebben ook de mogelijkheid en de wens om hun eigen kleur lading te dragen. En ze hebben massa. Zes quarks, acht gluonen. De quarks kunnen van kleur veranderen, en de gluonen ook, want waarom niet. Dit alles betekent dat de sterke kernkracht veel complexer en ingewikkelder is dan zijn elektromagnetische neef. Natuurkundigen noemden deze eigenschap van quarks en gluonen niet alleen “de kleurlading” omdat ze daar zin in hadden, maar omdat het als een nuttige analogie dient. Gluonen en quarks kunnen zich binden om grotere deeltjes te vormen, zolang alle kleuren bij elkaar opgeteld wit zijn, net zoals rood, blauw en groen licht bij elkaar opgeteld wit licht is. De meest voorkomende combinatie is drie quarks, elk één van rood, groen en blauw. Maar de analogie wordt hier een beetje lastig, want elke individuele quark kan elk van de kleuren toegewezen krijgen op elk moment in de tijd; wat telt is het aantal quarks om de juiste combinaties te krijgen. Zo kun je groepen van drie quarks hebben om de bekende protonen en neutronen te maken. Je kunt ook een quark laten binden met zijn anti-quark, waarbij de kleur zichzelf opheft (zoals in, groen paart met anti-groen, en nee, ik verzin dit niet gaandeweg), om een soort deeltje te maken dat bekend staat als een meson.
Maar daar houdt het niet op.
Theoretisch is elke combinatie van quarks en gluonen die bij elkaar opgeteld wit zijn, technisch toelaatbaar in de natuur.
Zo kunnen bijvoorbeeld twee mesonen – elk met twee quarks erin – mogelijk samenbinden tot iets dat een tetraquark wordt genoemd. En in sommige gevallen kun je een vijfde quark aan de mix toevoegen, nog steeds alle kleuren in evenwicht brengend, genaamd (je raadt het al) een pentaquark.
De tetraquark hoeft niet eens technisch aan elkaar gebonden te zijn in een enkel deeltje. Ze kunnen gewoon in elkaars nabijheid bestaan, en zo een hydronisch molecuul vormen.
En hoe gek is dit: De gluonen zelf hebben misschien niet eens een quark nodig om een deeltje te maken. Er kan gewoon een bal gluonen rondhangen, relatief stabiel in het heelal. Ze worden gluonenbollen genoemd. Het scala van alle mogelijke gebonden toestanden die door de sterke kernkracht mogelijk zijn, wordt het quarkoniumspectrum genoemd, en dat is geen naam die door een schrijver van een Sci-Fi TV-show is verzonnen. Er zijn allerlei gekke mogelijke combinaties van quarks en gluonen die gewoon zouden kunnen bestaan.
Doen ze dat ook?
Quark Rainbow
Misschien.
Fysici doen al tientallen jaren experimenten met sterke kernkrachten, zoals het Baber-experiment en een paar experimenten met de Large Hadron Collider, waarbij ze in de loop der jaren langzaam steeds hogere energieniveaus bereikten om steeds dieper in het quarkoniumspectrum te kunnen doordringen (en ja, je hebt mijn toestemming om die zin in elke zin of in elk willekeurig gesprek te gebruiken, zo geweldig is hij). Bij deze experimenten hebben natuurkundigen vele exotische verzamelingen van quarks en gluonen gevonden. De experimentalisten geven ze funky namen, zoals χc2(3930).
Deze exotische potentiële deeltjes bestaan slechts vluchtig, maar in veel gevallen wel onomstotelijk. Maar natuurkundigen hebben er moeite mee om deze kortstondig geproduceerde deeltjes te verbinden met de theoretische deeltjes waarvan we vermoeden dat ze zouden moeten bestaan, zoals de tetraquarks en de glueballs.
Het probleem met het leggen van het verband is dat de wiskunde erg moeilijk is. In tegenstelling tot de elektromagnetische kracht, is het erg moeilijk om solide voorspellingen te doen over de sterke kernkracht. Dat komt niet alleen door de ingewikkelde interacties tussen de quarks en de gluonen. Bij zeer hoge energieën begint de sterkte van de sterke kernkracht zelfs af te zwakken, waardoor de wiskunde kan worden vereenvoudigd. Maar bij lagere energieën, zoals de energie die nodig is om quarks en gluonen samen te binden om stabiele deeltjes te maken, is de sterke kernkracht juist heel sterk. Deze grotere kracht maakt de wiskunde moeilijker te doorgronden.
Theoretische natuurkundigen hebben een heleboel technieken bedacht om dit probleem aan te pakken, maar de technieken zelf zijn ofwel onvolledig ofwel inefficiënt. Hoewel we weten dat sommige van deze exotische toestanden in het quarkoniumspectrum bestaan, is het erg moeilijk om hun eigenschappen en experimentele signaturen te voorspellen.
Toch werken natuurkundigen hard, zoals ze altijd doen. Langzaam, in de loop van de tijd, bouwen we onze verzameling van exotische deeltjes die in colliders worden geproduceerd op, en maken we steeds betere voorspellingen over hoe de theoretische quarkoniumtoestanden eruit zouden moeten zien. De overeenkomsten komen langzaam bij elkaar, waardoor we een completer beeld krijgen van deze vreemde, maar fundamentele kracht in ons universum.
Paul M. Sutter is astrofysicus aan The Ohio State University, presentator van Ask a Spaceman en Space Radio, en auteur van Your Place in the Universe.
- 18 Times Quantum Particles Blew Our Minds in | Live Science
- Wacky Physics: Waarom hebben deeltjes smaken? | Live Science
- Strange Quarks and Muons, Oh My! Nature’s Tiniest Particles
Originally published on Live Science.
