Hart van de Materie 18: van chaos naar structuur door het quarkmodel

Het experimenteel bewijs voor het pion was niet louter een bevestiging van de theorie van Yukawa. Het heeft een hele nieuwe wereld geopend voor het onderzoek naar de subatomaire structuur van de materie, om twee redenen: ten eerste, omdat het duidelijk werd dat in de natuur nog deeltjes (muonen) bestonden waarvan de juiste rol nog niet bekend was. Ten tweede, omdat de studie van diezelfde kosmische stralen snel leidde tot de onverwachte ontdekking van verschillende andere deeltjes: al gauw verschenen er verschillende sporen van voorheen compleet onbekende en onverwachte deeltjes. Die nieuwe deeltjes werden eerst bestudeerd in kosmische stralen, maar al snel werden er steeds krachtiger en krachtiger deeltjesversnellers gebouwd, waarmee deeltjes nu in het laboratorium konden worden aangemaakt. Zo dook, in 1947, nog een soort meson op, dubbel zo zwaar als de pionen (de kappa-mesonen of kaonen). In 1950 ontdekten Hopper en Biswas aan de Universiteit van Melbourne het lambda-baryon, in 1955 vonden Emilio Segrè en Owen Chamberlain in Berkeley het antiproton (de antimaterieversie van het proton) en in 1962 volgde een zwaardere variant van het eerder besproken neutrino, nl. het muon-neutrino (in het lab van Leon Lederman in Columbia University in New York).

 

(Links) Owen Chamberlain (10 juli 1920, San Francisco, Californië, VS – 28 februari 2006, Berkeley, Californië, VS) en
(rechts) Emilio Gino Segrè (1 februari 1905, Tivoli, Italië – Lafayette (Californië), 22 april 1989) kregen in 1959 de Nobelprijs voor de Natuurkunde
voor de ontdekking van het antiproton. Onderaan de cruciale publicatie in Physical Review.

Bron van beide foto’s: Nobelstichting [links] [rechts], publiek domein.
Bron publicatie: Chamberlain, O., Segrè, E., Wiegand, C., & Ypsilantis, T. (1955). Observation of antiprotons. Physical Review, 100(3), 947.

De stortvloed aan nieuwe “elementaire” deeltjes met alle mogelijke ladingen, massa’s, energieën, maten en kleuren bracht Robert Oppenheimer ertoe, het te hebben over de subnucleaire zoo. Wolfgang Pauli liet zich zowaar ontvallen, dat “als hij dat geweten had, hij wel voor een carrière in plantkunde had gekozen”. Enrico Fermi zei iets gelijkaardigs tegen zijn toenmalige student Leon Lederman: "Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist." Het was duidelijk dat die deeltjes niet de basis van de structuur van de materie vormden, maar wat dan wel, dat bleef een mysterie. Tot 1964.

Onafhankelijk van mekaar stelden de Amerikaanse onderzoekers Murray Gell-Mann en George Zweig dat jaar een model voor waarin ze stelden dat al die vreemde deeltjes samenstellingen waren van nog nooit waargenomen basisdeeltjes, waarvan er minstens drie types bestonden (“smaken”, zo noemen we ze – flavours in het Engels). Zweig noemde die basisdeeltjes aces, maar het is de naam van Gell-Mann die bleef hangen: hij noemde ze quarks, naar een citaat uit Finnegan’s Wake van James Joyce:

Three quarks for Muster Mark!
Sure he hasn't got much of a bark
And sure any he has it's all beside the mark

Het zijn deze quarks die de dag van vandaag de basis vormen voor wat we het Standaardmodel van de Materie zijn gaan noemen.

Murray Gell-Mann 15 september 1929, Manhattan New York, USA) begon zijn academische carrière reeds op zijn vijftiende als student aan de prestigieuze Yale-universiteit.
Hij haalde zijn bachelorsdiploma in Natuurkunde in 1948 en doctoreerde aan het MIT in 1951. In de jaren 1950 onderzocht hij verschillende deeltjes die waren aangetroffen
in kosmische stralen. Hij stelde daarbij verschillende modellen voor die culmineerden in zijn quarkmodel uit 1964. Dit werk leverde hem de Nobelprijs voor Natuurkunde op in 1969.
Bron: I, Joi, Wikipedia, CCBY-SA 3.0

 

George Zweig (geboren op 30 mei 1937, in Moskou, Sovjetrepubliek Rusland) haalde zijn bachelorsdiploma wiskunde in 1959 aan de Universiteit van Michigan en trok vervolgens
naar het California Institute of Technology om een doctoraat te maken in de theoretische fysica onder begeleiding van Richard Feynman. Hoewel de man een cruciale bijdrage leverde aan de natuurkunde,
kreeg hij tot op heden geen Nobelprijs. In de jaren 1970 stapte hij over op de studie van het gehoor, meer bepaald van de wijze waarop akoestische impulsen in zenuwprikkels worden omgezet.
Bron: ???????, Wikipedia, CC BY-SA 4.0

 

Quarks zijn voor zover we weten de meest elementaire bouwstenen van de materie. Voor zover we weten, inderdaad, want er bestaat tot nu toe geen goede theorie die vereist dat ook quarks uit andere, kleinere deeltjes zouden bestaan en geen experimenteel bewijs dat quarks ook effectief verder kunnen worden opgedeeld.

Quarks bestaan er in verschillende smaken. De eerste modellen, van Gell-Mann en Zweig, postuleerden het bestaan van drie verschillende smaken: up, down en strange. Nog geen jaar later voegden Sheldon Lee Glashow en James Bjorken daar een vierde deeltje aan toe; de charm-quark. In 1973 stelden Makoto Kobayashi en Toshihide Maskawa voor om nog een laatste koppel quarks toe te voegen aan het theoretische model: top en bottom (de originele namen truth en beauty vonden nooit echt ingang). Ondertussen werd het bestaan van quarks ook experimenteel bewezen: in 1968 bleek in experimenten in Stanford dat het proton uiteen kon vallen in kleinere deeltjes (de up- en down-quarks). De strange-quark volgde uit het bestaan van de twee vorige (omdat anders het model van Gell-Mann en Zweig in mekaar zou stuiken) en leverde bovendien de verklaring voor het bestaan van kaonen en pionen. De charm-quark liet zich opmerken in november 1974, gevolgd door de bottom-quark in 1977. Voor de laatste quark, de top, was het wachten tot 1995 (en het deeltje bleek veel zwaarder dan verwacht, met een massa even groot als die van een goudatoom), maar sindsdien is het sextet wel compleet. Bovendien bestaat er voor elke quark een antiquark (de bouwstenen voor de antimaterie). De up- en de down-quark noemt men ook wel de eerste generatie, charm en strange zijn de tweede generatie, en top en bottom vormen de derde generatie.

Quarks hebben een elektrische lading, die een fractie is van de lading van een proton of een elektron. Zo heeft de up-quark een lading van +2/3 van de elementaire lading e, en heeft de down-quark een lading van –1/3 van diezelfde lading. Zo kunnen we de lading van protonen en neutronen afleiden uit die van de samenstellende quarks. Een proton bestaat uit twee quarks up en een quark down en heeft dus een finale lading van 2/3 + 2/3 - 1/3 = 3/3 en dus +1e. Een neutron bestaat uit twee quarks down en een quark up en heeft dus een lading van 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0/3 = 0e. Het is dus neutraal.

Ten slotte hebben quarks naast de gewone elektrostatische lading ook een kleurlading. Er zijn drie kleuren, telkens met hun antikleur: blauw en antiblauw, groen en antigroen, en rood en antirood. Quarks dragen kleuren, antiquarks antikleuren. Niet dat de deeltjes echt voorkomen in het blauw of het geel, maar de eigenschap gedraagt zich wel alsof het kleuren betrof. Zo is de samenstelling van een blauw en een antiblauw (geel) deeltje kleurneutraal (zeg maar, wit), net als blauw en het geel licht samen wit licht vormen. Stabiele combinaties van quarks zijn steeds kleurneutraal (en dat betekent meteen dat individuele quarks niet stabiel zijn en dus ook nooit zo worden aangetroffen). Zo bestaan protonen en neutronen uit drie quarks met elk een andere kleur. Ook de combinatie van een quark met een antiquark met de overeenkomstige antikleur levert stabiele deeltjes op: de mesonen. Deze kleurentheorie is de basis voor de kwantumchromodynamica, een tak van de kwantummechanica die zich in de jaren 1970 ontwikkelde, onder andere onder impuls van Richard Feynman.

Van links naar rechts: samenstelling van een proton (uit drie quarks), van een antiproton (uit drie antiquarks)
en van een meson (uit een quark en een antiquark) volgens de kwantumchromodynamica.

 

Richard Feynman: popidool van de moderne fysica

Richard Phillips Feynman (11 mei 1918, Queens, New York, VS – 15 februari 1988, Los Angeles, Californië, VS) is wellicht een van de kleurrijkste figuren uit de naoorlogse natuurkunde. We mogen hem hier dan ook niet vergeten voor te stellen.

Richard Feynman
Bron foto: Tamiko Thiel, 1984, publiek domein

Van zijn vader had hij geleerd steeds alles in vraag te stellen; van zijn moeder had hij zijn gevoel voor humor geërfd. Als kind had hij reeds zijn eigen laboratorium ingericht thuis, waar hij knutselde aan radio’s, en later, aan een eigen inbrekersalarm. De man was daarnaast ontegensprekelijk een wiskundig genie: op zijn vijftiende had hij zichzelf driehoeksmeetkunde, hogere algebra, analytische meetkunde en differentiaal- en integraalrekenen bijgebracht. Hij had hierbij een eigen notatie ontwikkeld voor sinus, cosinus, logaritme en de afgeleide. In weerwil hiervan behaalde hij op een IQ-test tijdens zijn middelbare school slechts een score van 125 (minder dan zijn zus). Wellicht was de test weinig op wiskundige vaardigheden en vooral op taal gericht. Nu, zoals hij zelf zei:

“Study hard what interests you the most in the most undisciplined, irreverent and original manner possible.”

Voor zijn bacheloropleiding trok de jonge Feynman naar het MIT, waar hij al twee publicaties op zijn naam zette – een ervan op basis van zijn eindscriptie The Forces in Molecules. Hierna trok Feynman naar Princeton, waar hij in 1942 zijn doctoraat verdedigde onder promotorschap van John Archibald Wheeler, met als titel  The Principle of Least Action in Quantum Mechanics

R. P. Feynman (1939) Phys. Rev. 56, 340

 

Ondertussen was de Tweede Wereldoorlog begonnen. Door de aanval van Japan op de Amerikaanse marinebasis Pearl Harbour waren ook de Verenigde Staten betrokken geraakt bij het wapengeweld. In Los Alamos, in de staat New Mexico, werd in het geheim gebouwd aan een kernwapen op basis van uranium. De leider van dit zogenoemde Manhattanproject project was Robert Oppenheimer. Ook Feynman voelt zich geroepen om een bijdrage te leveren en verhuist naar Los Alamos. Zijn toenmalige echtgenote, die leed aan tuberculose, werd ondergebracht in een kamer vlakbij in Albuquerque. Feynman kwam terecht in het departement Theoretische Afdeling van Hans Bethe en werkte met hem de formule uit om de kracht van een dergelijke bom te berekenen. Om zich te vermaken tijdens de lange geïsoleerde dagen in het lab in Los Alamos, hield Feynman zich onder andere bezig met het ontcijferen van de combinatiesloten van de kasten van zijn collega’s. Zo ontdekte hij dat de drie kasten waarin een deel van het onderzoek werd bijgehouden, met dezelfde combinatie waren afgesloten. Hij liet een aantal nota’s achter in de kasten, wat de betrokken collega (Frederic de Hoffman) liet geloven dat er een spion of een saboteur rondliep in het topgeheime lab. Toen Feynman zich dan ook nog in het weekend naar Albuquerque trok om bij zijn zieke vrouw te zijn, met de Buick van zijn vriend Klaus Fuchs, maakte hij zich daardoor des te meer verdacht. Toen Fuchs in 1950 dan nog toegaf om echt een Russische spion te zijn, opende de FBI een lijvig dossier over Feynman zelf.

 

Links: Hans Bethe (2 juli 1906, Straatsburg, Duitsland – 6 maart 2005, Ithaca, New York, VS) was niet enkel hoofd van de theoretische afdeling
van het team in Los Alamos, maar was ook op vele andere vlakken actief. In 1967 won hij de Nobelprijs voor Natuurkunde
voor zijn theorie over hoe zwaardere atoomkernen ontstaan in het hart van sterren.
Bron: US Department of Energy, publiek domein.

Rechts: Emil Julius Klaus Fuchs (29 december 1911, Rüsselsheim, Duitse Keizerrijk – 28 januari 1988, Oost-Berlijn, Duitse Democratische Republiek)
Bron: The National Archives UK, Flicker, publiek domein.

 

Na de oorlog trok Feynman eerst terug naar Cornell University (in New York), maar zakte na het overlijden van zijn vader op 8 oktober 1946 weg in een depressie.  Ook zijn onderzoek leed hieronder: hij was niet in staat om zich op enig onderzoeksvraagstuk te werpen, en bovendien heerste er een algemene malaise in de theoretische natuurkunde. Tegen 1948 begon Feynman zijn ideeën weer te publiceren, in een reeks voor Physical Review. Tegelijk werkte hij ook zijn Feynmandiagrammen uit – eenvoudige diagrammen waarmee op een visuele manier de interactie tussen elementaire deeltjes kon worden voorgesteld. Na enkele jaren in Rio de Janeiro (19489-1952), trok Feynman naar Caltech (California Institute of Technology, gevestigd in Pasadena, Californië, VS). Hij verrichtte er baambrekend werk rond het unificeren van de vier basiskrachten in de natuur (iets wat we later nog uitgebreid bespreken) en trachtte de sterke kernkrachten uit te leggen met zijn “parton”-model, wat complementair bleek aan het quarkmodel van Gell-Mann.

 

 

Feynman ontving samen met Julian Schwinger (links) en Shin'ichir? Tomonaga (rechts) in 1965
de Nobelprijs in de Natuurkunde voor hun bijdragen aan de ontwikkeling van kwantumelektrodynamica.
Bronnen: Nobel Foundation [links][rechts], publiek domein.

 

Feynman won ook aan bekendheid door zijn vele boeken en lezingen warmee hij de natuurkunde toegankelijk wilde maken voor een breder publiek. Zo is er zijn lezing uit 1959 There's Plenty of Room at the Bottom, over nanotechnologie.  In de vroege jaren 1960 werkte hij daarnaast aan een lessenreeks voor beginnende natuurkundestudenten op Caltech, onder de titel The Feynman Lectures on Physics. De boeken zijn nog steeds erg populair, tot ver buiten het universitaire circuit, bij iedereen die meer wil weten over natuurkunde. Feynman werd ook bekend door zijn semi-autobiografische boeken Surely You're Joking, Mr. Feynman! and What Do You Care What Other People Think? die getuigen van zijn geweldige vermogen om de wetenschappelijke aspecten van zijn leven duidelijk uiteen te zetten, maar vooral van zijn karakteristieke humoristische stijl.

De man speelde daarnaast een belangrijke rol in de Rogers Commission, die de Challenger-ramp onderzocht. Tijdens een hoorzitting van de televisie toonde hij aan dat het materiaal dat in de afsluitringen van de shuttle werd gebruikt, bij koude temperaturen niet elastisch genoeg reageerde en daardoor de brandstoftanks niet volledig afsloot.  Hij deed dit door een monster van het materiaal in een klem samen te drukken en het geheel in ijskoud water te dompelen. De commissie moest uiteindelijk vaststellen dat de ramp veroorzaakt werd doordat een belangrijke rubberen afsluitring op de brandstoftanks in het koude weer op Cape Canaveral niet voldeed. Feynman voegde eraan toe:

“For a successful technology, reality must take precedence over public relations, for nature cannot be fooled.”

Ontploffing van het ruimteveer Challenger op 28 januari 1986.
Bron: NASA, publiek domein.

 

In 1978 werd bij de onderzoeker echter liposarcoom vastgesteld, een zeldzame vorm van kanker. Chirurgen verwijderden een tumor ter grootte van een voetbal, die een nier en zijn milt verpletterd had. Na verdere operaties in oktober 1986 en 1987, weigerde hij begin 1988 de dialyse te ondergaan die zijn leven voor een paar maanden zou kunnen verlengen. Hij stierf op 15 februari 1988.

 

Richard Feynman voor de klas op Caltech.
Bron: Gianca97, Wikipedia, CC BY 3.0

 

 

Geplaatst door Geert op 22/07/2017 om 22:13