Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

Op 4 juni verscheen er een artikel in Nature waarin de ontdekking van het zeer zeldzame verval van een B_s⁰-meson naar twee muonen werd aangekondigd. Behalve dat dit – zogenaamd verboden – proces is waargenomen, is er bepaald hoe vaak dit verval voorkomt, de zogenaamde vertakkingsverhouding van dit specifieke proces. Deze meting heeft veel aandacht getrokken omdat het indirect een uitspraak doet over het al dan niet bestaan van nieuwe fundamentele quantumdeeltjes met een massa zwaarder dan het bereik van de LHC. In dit artikel bespreken we de achtergrond van de quarkfysica en speculeren over de betekenis van deze meting voor mogelijke scenario’s voor fysica buiten het Standaardmodel bij hoge energieschalen

Quarks als bouwstenen van materie

In 1964 poneerden Murray Gell-Mann en George Zweig onafhankelijk van elkaar dat alle tot dan toe bekende ‘elementaire deeltjes’ bestonden uit nog fundamentelere bouwstenen: de quarks. Het idee van de substructuur van hadronen, waarbij een baryon uit drie quarks bestaat en een meson uit een quark en een anti-quark, schiep orde in de ‘dierentuin’ van de vele tientallen deeltjes die destijds bekend waren. Harald Fritsch en Gell-Mann werkten hierna de theorie voor interacties tussen quarks uit in analogie met de quantumelektrodynamica. Waar in de quantumelektrodynamica interacties beschreven worden doordat geladen deeltjes fotonen uitwisselen, kenden zij nu aan de quarks een kleurlading toe waarbij interacties tot stand komen door uitwisseling van gluonen. In tegenstelling tot positieve en negatieve elektrische lading komt de kleurlading voor in drie varianten: (r,g,b) en hun anti-kleur. Deeltjes worden alleen gevormd als ‘kleurloze’ toestanden van quarks: drie quarks voor baryonen of een quark met een antiquark voor mesonen. Zo bestaan atoomkernen van stabiele materie protonen en neutronen, die op hun beurt twee verschillende quarktypes bevatten: de up-quark u (+2/3 elektrische lading) en de down-quark d (-1/3 elektrische lading).

Volgens de theorie van de sterke wisselwerking zijn quarks stabiele toestanden. In een radioactief bètaverval echter, vervalt een d-quark naar een u-quark plus een elektron en een, meestal ongedetecteerd, neutrino. De zwakke kracht die verantwoordelijk is voor radioactief verval, is meer dan een miljoen keer zwakker dan de sterke kracht en gaat als gevolg hiervan gepaard met relatief lange deeltjeslevensduren. In analogie met het massaloze foton bij elektromagnetisme en de massaloze gluonen van de sterke wisselwerking, zijn er nu drie, maar dan massieve, krachtdragers van de zwakke kracht: de geladen W⁺- en W ^--bosonen en het neutrale Z⁰-boson. Het zijn de geladen W-deeltjes die verantwoordelijk zijn voor de overgangen tussen verschillende quarks,die hier verder onder de loep genomen worden.

Auteurs: Marcel Merk, Serena Oggero en Antonio Pellegrino

Lees het volledige artikel in het oktobernummer van het NTvN.