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
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,
Astroblogs: http://www.astroblogs.nl/2015/10/11/waarom-zijn-er-drie-smaken-van-elementaire-deeltjes/
