1000-1999
Sites per thema:
psy0 algemeen
psy1 systemen
psy2 denken
psy3 brein
psy4 individu
psy50 diagnostiek
psy54 behandeling
psy6 optimaal
psy7 groepen
psy8 suboptimaal
psy9 optimaal

1650 Fermionen


Fermionen is de verzamelnaam voor quarks, leptonen en bosonen, de bouwstenen van de materie op niveau 2 (niveau 1 zijn de strings). Quarks zijn de bouwstenen van de complexere atoomdeeltjes of hadronen (niveau 3) zoals protonen en neutronen, Leptonen  zijn eenvoudige atoomdeeltjes zoals elektronen, en Bosonen zijn de krachtdragers der 4 fundamentele natuurkrachten.



Bosonen

Bosonen zijn de dragers der vier fundamentele natuurkrachten: foton (elektromagnetisch), gluon (sterke kernkracht), W- en Z-boson (zwakke kernkracht: W is negatief of positief, Z is neutraal en heeft dus geen antideeltje), graviton (zwaartekracht, nog niet ontdekt). Het Higgsboson zou drager zijn van de massa. 

Mesonen

Een Meson is een groepje van een even aantal fermionen, meestal een quark en een antiquark. Mesonen zijn dus eigenlijk hadronen met slechts 2 quarks. De meeste hadronen hebben 3 quarks en worden daarom baryonen genoemd. Voorbeelden van mesonen zijn het pion en het kaon.

Quarks

Quarks zijn subatomaire deeltjes waarvan er zes soorten bestaan: Up, Down, Charm, Top (of Truth), Strange, Bottom (of Beauty). Daarnaast zijn er ook nog hun antideeltjes, ook zes. Het zijn de bouwstenen van protonen en neutronen die op hun beurt atomen vormen.

Wetenschappers hebben met de LHC-deeltjesversneller een klap toegebracht aan de theorie van de supersymmetrie. De onderzoekers hebben met name het extreem zeldzame mechanisme waargenomen waarbij een B-quark in een U-quark transformeert. Die transformatie gebeurde net zoals het Standaard Model voorspelt, zodat er geen nood is aan de theorie van de supersymmetrie.

Het Standaardmodel van de deeltjesfysica dat in het begin van de jaren zeventig uitgewerkt werd, integreert de huidige kennis over de fundamentele deeltjes en krachten. Experimenten hebben aangetoond dat de theorie in overeenstemming is met de kwantummechanica en de speciale relativiteitstheorie van Einstein. Maar het Standaardmodel laat de zwaartekracht buiten beschouwing en het verklaart ook niet waarom er donkere materie en energie bestaan, die samen 95 procent van de kosmos uitmaken.

Supersymmetrie

Om aan die hiaten tegemoet te komen, kwamen natuurkundigen met de theorie van de supersymmetrie (SUSY) voor de dag. Die theorie vertrekt vanuit de stelling dat elk deeltje uit het Standaardmodel een superpartner heeft.


Een voorstelling van de vorming van deeltjes volgens de supersymmetrie. Een quark (groen) en een antiquark (rood) botsen. De botsing leidt tot het ontstaan van twee zware supersymmetrische deeltjes (geel), die vervallen tot twee lichtere supersymmetrische deeltjes (roze) en een W- en een Z-deeltje (groen). Het W-deeltje (rechts) vervalt voort in een muon (blauw) en een antineutrino (grijs). Het Z-deeltje (links) vervalt in een elektron en een positron, een anti-elektron (allebei blauw).

Standaardmodel

Maar met de LHC, de grootste deeltjesversneller ter wereld, is nog geen enkel teken van supersymmetrie gevonden.

Het LHCb-experiment heeft nu de transformatie van B-quarks tot U-quarks waargenomen en die gebeurde met quarks met een "linkshandige" spin, wat overeenstemt met het Standaardmodel. Volgens hoofdonderzoeker Guy Wilkinson van het LHCb liggen de nu gevonden resultaten helemaal in de lijn van het Standaard Model en is er dus geen noodzaak aan een bijkomende theorie.

Bij vroegere waarnemingen van de transformatie van B-quarks waren er tegenstrijdige resultaten, die er op leken te wijzen dat de transformatie ook bij "rechtshandige" quarks zou gebeuren. Dat vroeg wel om de bijkomende theorie van de supersymmetrie.

Wilkinson beklemtoonde echter tegenover het Franse persbureau AFP dat het "te vroeg" is om de supersymmetrie te begraven. "Het is erg moeilijk om de supersymmetrie te doden, want het is een veelkoppig monster", zo zei hij.

Maar als er anderzijds de volgende twee jaar niets wordt gevonden dat wijst op supersymmetrie, komt de theorie in moeilijk vaarwater, zo zei hij. Het aantal echte "gelovigen" zal dan naar beneden duiken, volgens Wilkinson.

Het onderzoek van het LHCb-experiment over de transformatie van de B-quark is gepubliceerd in Nature physics.



De structuur van de materie volgens het
Standaardmodel: een atoom bestaande uit een kern met protonen en neutronen, en elektronen. De protonen en neutronen in de kern (rood en wit) bestaan op hun beurt uit drie quarks (blauw).
(uit: DeRedactie, 29 juli 2015. Tekst)

Tetraquarks

Natuurkundigen hebben een deeltje opnieuw in het leven geroepen, dat mogelijk bestaan heeft in de eerste, extreem hete ogenblikken na de Big Bang. Het heeft de weinig inspirerende naam Zc(3900) gekregen, en het is het eerste deeltje waarvan bevestigd is dat het is opgebouwd uit vier quarks.

Alle deeltjes opgebouwd uit quarks, die tot nu geobserveerd waren, bestaan slechts uit drie quarks, zoals de protonen en neutronen in de kern van een atoom, of uit twee quarks, zoals de pionen en kaonen die in kosmische straling worden gevonden. Er was geen natuurkundige wet die het voorkomen van deeltjes met meer quarks uitsloot, maar ze waren nog nooit gevonden. De vondst van dit kwartet vergroot het aantal manieren waarop quarks samengebracht kunnen worden om “exotische” vormen van materie te maken. Materie met twee of drie quarks wordt “gewone materie” genoemd, materie met meer quarks “exotische materie”.

“Het deeltje was een hele verrassing”, zei Zhiqing Liu, een deeltjesspecialist aan het Institute of High Energy Physics in Peking en een lid van de Belle-samenwerking, een van de twee teams die de ontdekking claimen in artikels in Physical Review Letters. Er is echter wel nog discussie over hoe het nieuwe deeltje precies is opgebouwd.

Belle

De Belle-detector, die ondergebracht is bij de High Energy Accelerator Research Organisation (KEK) in Tsukuba in Japan, houdt botsingen in het oog tussen intense stralen van elektronen en hun antimaterie-tegenhangers, positronen. Die botsingen vinden plaats met een duizendste van de energie die gehaald wordt in de krachtigste deeltjesversneller ter wereld, de Large Hadron Collider (LHC) van het CERN in Genève, maar ze hebben nog steeds energie genoeg om de omstandigheden in het vroege universum na te bootsen.

In het KEK vinden dan weer wel dubbel zoveel botsingen plaats als in de LHC, en af en toe ontstaan daarbij zeldzame deeltjes die vandaag de dag niet meer in de natuur gevonden worden, vluchtige creaties die eventjes bestaan en dan uit elkaar vallen in hun onderdelen.

En een aantal van die onderdelen, de subatomaire brokstukjes die na de botsing overblijven, komen overeen met wat men kan verwachten als een deeltje dat vier aan elkaar verbonden quarks bevat, uit elkaar valt. Het gaat dan om twee zeer zware charm quarks en twee andere quarks die het deeltje zijn lading geven. Belle heeft 159 keer de aanwezigheid van deze Zc(3900)-deeltjes vastgesteld en dat maakt dat de kans dat het om een statistische afwijking zou gaan, kleiner is dan 1 op 3,5 miljoen. “Ze hebben een duidelijk bewijs voor een deeltje met vier quarks”, zei Riccardo Faccini, een deeltjesspecialist aan de Sapienza Universiteit van Rome in het tijdschrift Nature.

BESIII

Het nieuwe deeltje is ook bevestigd in een tweede experiment, de Beijing Spectrometer III (BESIII) in de Beijing Electron Positron Collider. BESIII vond 307 Zc(3900)-deeltjes op 10 biljoen biljoen botsingen tussen elektronen en positronen. “Dit maakt al de andere deeltjes die Belle gezien heeft geloofwaardig”, zei Fred Harris, een deeltjes-natuurkundige aan de University of Hawaii in Manoa en een woordvoerder voor BESIII.

Belle heeft namelijk al eerder deeltjes gezien die mogelijk uit vier quarks bestonden. In 2008 zag het een mogelijke kandidaat en in 2011 zag het twee andere deeltjes die mogelijk bestonden uit vier bottom quarks, waarnemingen die echter door geen enkele andere deeltjesversneller bevestigd zijn.

Een “mesonen-molecule” of een tetraquark ?

Niemand stelt het aantal quarks in het nieuwe deeltje in vraag, wel zijn er vragen over hoe ze verbonden zijn en het antwoord daarop heeft implicaties voor de kwantum-chromodynamica, de theorie die de sterke kracht beschrijft die quarks verbindt. De natuurkundigen zijn verdeeld in twee kampen over deze vraag.

Het ene kamp stelt dat het nieuwe deeltje in feite een “molecule” is, die bestaat uit twee mesonen-paren die losjes samenklitten. Mesonen zijn “gewone materie” en ze bestaan uit een quark en een antiquark. Als twee mesonen samenhangen, zou dat ook vier quarks geven, maar de twee quarks en de twee antiquarks zouden niet met elkaar verbonden zijn, enkel met hun antideeltje.

Het andere kamp stelt – zij het nog voorzichtig –, dat het nieuwe deeltje wel degelijk een echte tetraquark is (van het Grieks tetra, vier, en quark), en dat het wel gaat om vier quarks die stevig aan elkaar zitten en een compacte bal vormen. In die bal zitten de twee quarks aan elkaar vast, en ook de twee antiquarks hangen aan elkaar. Dergelijke paren komen in geen enkel bekend deeltje voor en ze zouden dus een nieuwe bouwsteen voor materie vormen. Die zou dan gebruikt kunnen worden voor computersimulaties voor alle mogelijke structuren die de quarks kunnen vormen.

De voorstanders van de tetraquarks wijzen er op dat een “molecule” bestaande uit twee mesonen, makkelijk uit elkaar zou kunnen vallen, en dat een dergelijk evenement niet blijkt uit de gegevens. “De kenmerken van een molecule zijn niet terug te vinden, wat het in het voordeel spreekt van het beeld van de tetraquark”, zei Ahmed Ali, een deeltjesspecialist bij DESY, het Duitse laboratorium voor hoge-energienatuurkunde in Hamburg.

Voorlopig is de foutmarge van het experiment echter nog te groot om de mogelijkheid uit te sluiten dat het gaat om een “molecule” van mesonen die uit elkaar valt. Een manier om dat te testen, is op zoek te gaan naar ander deeltjes die volgens de twee verklaringen, de tetraquark of de mesonen-molecule, zouden moeten bestaan.

In de hoop het debat te kunnen beslechten, zoeken de geleerden bij de BESIII voort in de gegevens die ze verzameld hebben sinds hun eerste experimenten in december en januari. Als ze echter geen sluitend bewijs vinden, zal de ontmaskering van Zc(3900) misschien moeten wachten tot de nieuwe, krachtigere versie van de Belle-detector in 2015 in gebruik wordt genomen.

(uit: DeRedactie, 21.06.13. Tekst)
Pentaquarks
Onderzoekers bij de deeltjesversneller Large Hadron Collider (LHC) hebben aangekondigd dat ze een nieuwe klasse van deeltjes gevonden hebben, de pentaquark. Het bestaan daarvan was in de jaren 60 al voorspeld, maar het deeltje bleek nog moeilijker te vinden dan het Higgs-boson.
De ontdekking, die neerkomt op een nieuwe vorm van materie, is gedaan door onderzoekers van het LHCb-experiment bij de LHC.

"De pentaquark is niet om het even welk nieuw deeltje", zei de woordvoerder van LHCb Guy Wilkinson op de website van het CERN. "Het staat voor een manier om quarks, de fundamentele bouwstenen van gewone protonen en neutronen, te verenigen in een patroon dat nog nooit eerder geobserveerd is in meer dan 50 jaar van experimenteel onderzoek. De studie van zijn eigenschappen kan ons toelaten beter te begrijpen hoe gewone materie, de protonen en neutronen waaruit we allemaal bestaan, samengesteld is."

Een alternatieve vorm van de pentaquark, die bestaat uit een meson-deeltje, een quark en een antiquark (links), en een baryon, drie quarks (rechts), die zwak met elkaar verbonden zijn (illustratie: LHCb/Daniel Dominguez).

Ons inzicht in de structuur van de materie werd radicaal veranderd in 1964 toen twee natuurkundigen, Murray Gell Mann en George Zweig, onafhankelijk van elkaar het bestaan van de subatomaire deeltjes voorstelden die nu bekend staan als quarks.

Ze stelden dat de belangrijkste eigenschappen van de deeltjes die baryonen en mesonen genoemd worden, het best verklaard kunnen worden als die op hun beurt samengesteld waren uit andere deeltjes. Baryonen, waartoe de protonen en neutronen uit de atoomkern behoren, zijn samengesteld uit drie quarks, mesonen uit een quark en een antiquark, een antimaterie-deeltje.

Hun theoretisch model liet ook het bestaan toe van andere toestanden waarin quarks zich konden bevinden, zoals de pentaquark. Dat theoretisch deeltje zou bestaan uit vier quarks en een antiquark.

Vals alarm

In het midden van de jaren 2000 beweerden verschillende onderzoeksteams dat ze pentaquarks gevonden hadden, maar het bleek telkens vals alarm: hun ontdekkingen werden vervolgens steeds te niet gedaan door andere experimenten.

"Het is een hele geschiedenis met de pentaquarks, wat de reden is waarom we zeer voorzichtig zijn geweest voor we deze studie openbaar hebben gemaakt", zei Patrick Koppenburg, een van de coördinatoren van het LHCb aan de BBC. "Het lijkt of het woord 'pentaquark' op een of andere manier vervloekt is, aangezien er veel ontdekkingen zijn geweest die dan teniet gedaan werden door nieuwe resultaten, die aantoonden dat de vorige in werkelijkheid fluctuaties waren en geen echte aanwijzingen."

Lambda b

Lambda-baryonen zijn een soort hadronen bestaande uit 3 quarks, waaronder steeds een U- en een D-quark. Deze lambda-baryonen zitten soms extra in de atoomkern, naast de protonen en de neutronen, en verhogen sterk de cohesie van die kern.
De onderzoekers van het LHCb-experiment bestudeerden de manier waarop een subatomair deeltje, het Lambda b-deeltje, uiteenviel of getransformeerd werd in drie andere deeltjes. De analyse daarvan wees uit dat er soms intermediaire toestanden betrokken waren bij de vorming van de drie deeltjes.
Die tussenliggende toestanden kregen de namen Pc(4450)+ en Pc(4380)+. "We hebben alle mogelijkheden onderzocht voor deze signalen, en ons besluit is dat ze enkel verklaard kunnen worden door pentaquarks", zei LHCb-natuurkundige Tomasz Skwarnicki van de Syracuse University. "Het is uitgesloten dat wat we zien veroorzaakt kan worden door iets anders dan de toevoeging van een nieuw deeltje dat nog nooit tevoren geobserveerd is."

Voorgaande experimenten maten enkel de zogenoemde massa-verdeling, waarbij een statistische piek kan opduiken tegen het achtergrond-"geluid", wat een mogelijke aanwijzing is voor een nieuw deeltje. Maar de LHC laat de onderzoekers toe om de gegevens te bekijken vanuit bijkomende perspectieven. En de waarnemingen vanuit al die perspectieven wijzen allemaal naar dezelfde conclusie. Volgens de onderzoekers is het alsof de voorgaande onderzoeken zochten naar silhouetten in het donker, terwijl de LHCb het onderzoek voerde met de lichten aan, en vanuit alle hoeken.

De volgende stap in de analyse is te onderzoeken hoe de quarks verbonden zijn met elkaar in de pentaquarks. Daarvoor zijn er twee grote mogelijkheden, namelijk dat de vier quarks en de antiquark sterk met elkaar verbonden zijn in de pentaquark (illustratie boven het artikel), of dat de pentaquark bestaat uit een meson, een quark en een antiquark, en een baryon, drie quarks, die zwak met elkaar verbonden zijn.

De LHC van het CERN in Genève is in april 2015 opnieuw opgestart na een pauze van twee jaar voor onderhoud en verbeteringen. De eerste aanwijzingen voor het nieuwe deeltje dateren echter al van 2012, voordat de LHC stilgelegd werd. Het LHCb-experiment, Large Hadron Collider beauty, legt zich toe op het onderzoeken van de kleine verschillen tussen materie en antimaterie door het bestuderen van het type deeltje dat de "B-quark" genoemd wordt.

In plaats van heel het punt waar de botsingen tussen deeltjes plaatsvinden, te omringen met een detector zoals de ATLAS- en CMS-experimenten dat doen, gebruikt het LHCb een reeks van "sub-detectoren" om vooral de deeltjes waar te nemen die naar voren geworpen worden bij de botsingen. De eerst sub-detector staat dicht bij de plaats van de botsingen gemonteerd, de andere staan over 20 meter gemonteerd, de ene na de andere.
(Uit: DeRedactie, 14.07.15, tekst)