Wat is de sterke kernkracht?

Quarks
Bij kernfusie komt energie vrij door de herschikking van protonen en neutronen tussen atoomkernen. Zo kunnen twee helium-3-kernen (3He) een interactie aangaan om een helium-4-kern (4He), twee protonen en energie te produceren. Karliner en Rosner2 rapporteren een analoog van dit proces, met elementaire deeltjes die quarks worden genoemd. Quarks zijn er in zes smaken, waaronder up- en down-quarks, die voorkomen in protonen en neutronen, en zwaardere charm-quarks. De auteurs tonen aan dat twee Λc-deeltjes kunnen interageren om een Ξcc ++ -deeltje, een neutron en energie te produceren, door de herschikking van quarks. Credit: Nature

 

De sterke kernkracht is een van de vier fundamentele krachten in de natuur. De andere drie zijn zwaartekracht, de zwakke kernkracht en elektromagnetisme. Zoals de naam al aangeeft is de sterke kernkracht de sterkste van de vier krachten. De sterke kernkracht is verantwoordelijk voor het bij elkaar houden van de fundamentele materiedeeltjes om zo grotere deeltjes te maken.

Het Standaard Model

De heersende theorie van de deeltjesfysica nomen we het Standaard Model. Dit model beschrijft de basisbouwstenen van materie en hun interactie. Deze theorie is in de jaren ’70 ontwikkeld en door middel van vele experimenten is dit model in de loop der jaren uitgegroeid tot een goed geteste natuurkundetheorie.

De quark is onder het standaardmodel een van de kleine, meest fundamentele deeltjes. Dat wil zeggen deeltjes die niet in nog kleinere deeltjes kunnen worden opgesplitst. Deze deeltjes zijn de bouwstenen van een klasse van massieve deeltjes die bekend staan als hadronen. Tot de hadronen behoren o.a. protonen en neutronen. Wetenschappers hebben tot nu toe geen enkele aanwijzing gezien dat er nog iets kleiners bestaat als een  quark.

De sterke kracht werd eerst voorgesteld om uit te leggen waarom atoomkernen niet uit elkaar vliegen. Het leek erop dat ze dit zouden doen vanwege de afstotende elektromagnetische kracht tussen de positief geladen protonen in de kern. Later bleek dat de sterke kracht niet alleen de kernen bij elkaar houdt maar dat de kracht ook verantwoordelijk is voor het bij elkaar houden van de quarks waar de hadronen uit zijn opgebouwd.

Quarks en hadronen

Quarks werden in 1964 voor het eerst theoretisch beschreven door de natuurkundigen Murray Gell-Man en George Zweig. De deeltjes werden in 1968 voor het eerst waargenomen in het Stanford Linear Accelerator National Laboratory in de Verenigde Staten. Gell-Man koos de naam uit voor de deeltjes. Men zegt dat die naam afkomstig is uit een gedicht in de novelle “Finnegan’s Wake” van James Joyce: “Three quarks for Muster Mark! Sure he has not got much of a bark, And sure any he has it’s all beside the mark.”

In de jaren ’50 en ’60 hadden experimenten met deeltjesversnellers aangetoond dat protonen en neutronen slechts vertegenwoordigers zijn van een veel grotere familie die nu hadronen wordt genoemd. Inmiddels zijn er al meer dan 200 hadronen gevonden.

Wetenschappers hebben gedetailleerd beschreven op welke manier hydronen door quarks worden gemaakt. Er zijn twee soorten hadronen: baryonen en mesonen. Elk baryon bestaat uit 3 quarks en elk meson is bestaat uit een quark en een anti-quark. Een anti-quark is de antimaterie-tegenhanger van een quark en heeft dus een tegenovergestelde lading. Baryonen zijn een klasse van deeltjes die protonen en neutronen omvat. Mesonen zijn kortlevende deeltjes die worden geproduceerd in grote deeltjesversneller en in interacties met hoogenergetische kosmische straling.

Eigenschappen van quarks: smaak en kleur

Quarks komen voor in 6 varianten die natuurkundigen “smaken” noemen. In volgorde van toenemende massa heten ze up, down, strange, charm, bottom en top. De up en down quarks zijn stabiel en maken protonen en neutronen. Zo bestaat een proton uit twee up quarks en een down quark. Dit wordt aangeduid als (uud).

De andere, meer massieve smaken worden alleen geproduceerd in interacties met hoge energie en hebben een extreem korte halfwaardetijd. Ze worden meestal waargenomen in mesonen. Deze mesonen kunnen verschillende combinaties van smaken bevatten zoals bijvoorbeeld quark-antiquark paren. De laatste hiervan, de topquark, werd in 1973 theoretisch beschreven door Makoto Kobayashi en Toshide Maskawa maar werd pas in 1995 waargenomen tijdens een acceleratorexperiment in het Fermilab. Kobayashi en Maskawa kregen in 2008 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun theoretische voorspelling.

Quarks hebben nog een andere eigenschap die ook in 6 manifestaties voorkomt. Deze eigenschap wordt “kleur” genoemd maar moet niet worden verward met ons algemene begrip van kleur. De 6 manifestaties worden rood, blauw, groen, antirood, antiblauw en antigroen genoemd. De antikleuren behoren tot de antiquarks. De kleureigenschappen verklaren hoe quarks aan het Pauli uitsluitingsprincipe kunnen gehoorzamen. Dit principe zegt dat twee identieke objecten niet dezelfde plaats in kunnen nemen. Dat wil zeggen dat quarks die dezelfde hadron vormen een verschillende kleur moeten hebben. Alle drie de quarks in een baryon hebben dus een andere kleur en een meson moet een gekleurde quark en antiquark van de overeenkomstige antikleur hebben.

Gluonen

De sterke kracht is het gevolg van de uitwisseling van krachtdragende deeltjes die bosonen worden genoemd. Materiedeeltjes brengen energie over door bosonen met elkaar uit te wisselen. De sterke kracht wordt gedragen door een type boson dat “gluon” werd genoemd. Deze deeltjes fungeren zogezegd als een soort lijm die de kern en de samengestelde baryonen bij elkaar houdt. Er gebeurt iets vreemds in de aantrekkingskracht tussen twee quarks: de sterke kracht neemt niet af met de afstand tussen de twee deeltjes, zoals de elektromagnetische kracht doet. Maar de kracht neemt in feite toe, dit is enigszins te vergelijken met het uitrekken van een mechanische veer.

Net als bij een mechanische veer is er een limiet aan de afstand dat de twee quarks van elkaar kunnen worden geschieden. Deze limiet is ongeveer de diameter van een proton. Als deze limiet bereikt is dan wordt de energie die nodig is om ze van elkaar te scheiden plotseling omgezet in massa in de vorm van een quark-antiquark-paar. Deze energie-naar-massa-conversie vindt plaats volgens de beroemde vergelijking van Albert Einstein, E = m * c2. In dit geval M = E / c2. In deze formule is E de energie m de massa en c de lichtsnelheid.

Omdat deze conversie plaatsvindt elke keer dat we proberen quarks van elkaar te scheiden, zijn vrije quarks nooit waargenomen en wordt algemeen aangenomen dat ze ook niet als individuele deeltjes bestaan.

Standaard Model van Elementaire Deeltjes
Door MissMJ, Cush – Own work by uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, Publiek domein, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4286964

Resterende sterke kracht

Wanneer drie quarks aan elkaar zijn gebonden in een proton of een neutron dan wordt de sterke kracht die door de gluonen wordt geproduceerd grotendeels geneutraliseerd. Als gevolg hiervan is de kracht meestal beperkt tot een deeltje. Er is echter een klein deel van de kracht die buiten het proton of neutron werkt. Deze fractie van de kracht kan werken tussen protonen en neutronen oftewel “nucleonen”.

Tijdens experimenten werd duidelijk dat de kracht tussen nucleonen het resultaat of het neveneffect is van een sterkere en meer fundamentele kracht die quarks in protonen en neutronen aan elkaar bindt. Deze “bijwerking” wordt de “resterende sterke kernkracht” genoemd. Het is deze kracht die de atoomkern, ondanks de afstotende werking tussen positief geladen protonen die er voor zorgt dat ze uit elkaar worden geduwd, bijeenhoudt.

In tegenstelling tot de sterke kernkracht daalt de resterende sterke kernkracht echter snel op korte afstanden en is die alleen significant aanwezig tussen aangrenzende deeltjes in de kern. De afstotende elektromagnetische kracht daalt echter langzamer en werkt dus over de gehele kern. In zware kernen, in het bijzonder die met atoomnummers groter dan 82 (Lood) blijft de kernkracht op een deeltje bijna constant en neemt de totale elektromagnetische kracht op dat deeltje tot het moment dat het uiteindelijk de kern apart kan duwen. Kernsplijting kan worden gezien als een soort van touwtrekken tussen de sterke aantrekkende kernkracht en de afstotende elektrostatische kracht. Bij kernsplijtingsreacties wint de elektromagnetische afstoting.

De energie die vrijkomt door het verbreken van de resterende sterke kernkrachtbinding neemt de vorm aan van hogesnelheidsdeeltjes en gammastralen en produceert radioactiviteit. Botsingen met deeltjes afkomstig van het verval van nabijgelegen kernen kunnen dit proces versnellen en een nucleaire kettingreactie veroorzaken. Energie uit de splijting van zware kernen zoals Uranium-235 en Plutonium-239 is wat kernbommen en atoombommen aandrijft.

Beperkingen van het Standaard Model

Naast alle bekende en voorspelde subatomaire deeltjes bevat het standaardmodel de sterke en zwakke kernkrachten en het elektromagnetisme. Het standaardmodel legt uit hoe deze krachten op deeltjes materie inwerken. Maar het standaardmodel omvat echter niet de zwaartekracht. Het inpassen van de zwaartekracht in het raamwerk van het model heeft wetenschappers decennia lang voor raadsels gesteld. Maar het effect van de zwaartekracht op de schaal van deze deeltjes is zo klein dat het Standaard Model ondanks de uitsluiting van die fundamentele kracht goed werkt.

Andere artikelen in deze serie:

  • De vier fundamentele natuurkrachten
  • Wat is de zwakke kernkracht
  • Wat is zwaartekracht
  • Wat is de elektromagnetische kracht

Eerste publicatie: 16 september 2020
Bron: Livescience