Van zessen klaar: de quarkfamilie is compleet/NATUURKUNDE

De natuurkunde heeft zijn verzameling compleet. Een groep van ruim vierhonderd onderzoekers, samenwerkend in een experiment op het Fermi laboratorium in Illinois, heeft een aantal malen de karakteristieke sporen van de top quark gezien.

Daarmee staat wel vast dat deze quark, de zesde, is gevonden. Een jaar geleden kondigde een andere groep op het Fermilab, die met een andere detector werkte, ook al aan dat haar waarnemingen (aan botsingen van deeltjes in de Tevatron deeltjesversneller) op het bestaan van de top quark wezen. Maar de kans dat de onderzoekers toevallig iets heel anders met het lang gezochte elementaire deeltje verwarden, werd toen nog te groot geacht.

Quarks zijn de samenstellende deeltjes van de atoomkern. Of preciezer: twee van de zes nu bekende quarks, getooid met de ook al nergens op slaande namen up en down, zijn te combineren tot protonen en neutronen, de deeltjes waaruit atoomkernen worden opgebouwd en waarvan een tijd lang is gedacht dat ze 'elementair', niet verder op te splitsen, waren.

Datzelfde wordt nu nog steeds gedacht van de quarks. Behalve up en down zijn er nog twee soorten, charm en strange genaamd. De vijfde quark, bottom, had lange tijd geen partner, maar daarvoor hebben de onderzoekers op Fermilab er nu dus een gevonden.

De zesde quark speelt bij de vorming van materie en bij de processen die mensen van dag tot dag bezighouden nauwelijks een rol. Toch is het een belangrijke ontdekking: het betekent dat de natuurkunde nog steeds op het goede spoor zit bij het ontrafelen van de structuur van de materie.

Vier krachten

Het fysisch onderzoek heeft bij zijn steeds gedetailleerdere verkenningen van de materie ontdekt dat bij alles wat er in de wereld gebeurt vier krachten betrokken zijn: de zwaartekracht, de zwakke kernkracht, de elektromagnetische kracht en de sterke kernkracht. Die krachten staan niet los van elkaar: onder heel speciale omstandigheden, wanneer hoge energieën in het spel zijn, lijken ze op elkaar als vier druppels water, of nauwkeuriger gezegd: als vier elektronen. Maar bij rustiger omstandigheden, zoals die nu doorgaans in het heelal optreden, zijn ze heel verschillend. Er moet een algemene wiskundige wet zijn die beschrijft hoe die krachten samenhangen en wat ze doet verschillen, maar die is nog niet gevonden.

De vier krachten verschillen in de manier waarop ze uitwerken op verschillende soorten materie. Op basis daarvan onderscheiden natuurkundigen verschillende families van deeltjes. Allemaal zijn ze onderworpen aan de zwaartekracht, en alle deeltjes met een elektrische lading gehoorzamen ook de elektromagnetische krachten. Maar niet alle deeltjes 'voelen' de sterke en de zwakke kernkrachten. Met name de sterke kernkracht specialiseert zich op de deeltjes die in de atoomkern worden aangetroffen.

Een familie van deeltjes die gevoelig is voor een bepaalde kracht, kan weer in soorten worden onderverdeeld op grond van de manier waaròp die kracht wordt gevoeld. Zo kan een deeltje bij voorbeeld op twee manieren op de elektromagnetische kracht reageren, namelijk als een positief geladen deeltje of als een negatief geladen deeltje. Elk deeltje moet daarom volgens de theorie zijn tegenovergesteld geladen antideeltje hebben. Naast het elektron, negatief geladen, is bijvoorbeeld al jaren geleden keurig volgens de voorspelling het positieve positron gevonden.

Bij de sterke kernkracht is nu iets dergelijk gebeurd. Voor die kracht zijn quarks gevoelig, deeltjes die elektrisch geladen zijn en bovendien op drie manieren (in een vlaag van fantasie 'kleuren' genoemd) op de sterke kracht kunnen reageren. Dat geeft zes mogelijke quarks.

Dat de natuurkunde nu zijn zesde quark te pakken heeft, de natuurlijke tegenhanger van de bottom quark, betekent dat de wereld zich op geruststellende wijze houdt aan het tot dusver ontwikkelde standaardmodel voor het kleinste niveau. Maar het betekent bepaald niet dat dit model af zou zijn. De vier fundamentele krachten zijn immers wel bekend, samen met de eraan onderworpen deeltjesfamilies, maar de structuur die zich achter die krachten verschuilt is nog niet opgehelderd.

Lukt dat eenmaal, dan zullen de onderzoekers de deeltjeswereld pas echt begrijpen. Inclusief raadsels als waarom al die deeltjes de massa hebben die ze hebben, waarom er eigenlijk zoiets is als massa. En of er misschien een logisch principe is waarom de wereld precies zo is opgebouwd als ze - hoogstwaarschijnlijk - blijkt te zijn is opgebouwd. Met zes soorten quarks.