Quark zijn de fundamentele bestanddelen van alle materie, maar lijken geen structuur te hebben en lijken ondeelbaar. BlackJack3D/Getty Images

Protonen en neutronen, de deeltjes die de kernen van atomen vormen, lijkt misschien heel klein. Maar wetenschappers zeggen dat die subatomaire deeltjes zelf uit iets nog kleiners bestaan:deeltjes die quarks worden genoemd.

"We zullen, Ik denk dat de eenvoudigste manier om het te zeggen is dat quarks het fundamentele bestanddeel van materie zijn, van al het spul dat om ons heen is, " legt Geoffrey West uit. Hij is een theoretisch fysicus die de hoge-energiefysica-groep oprichtte in het Los Alamos National Laboratory en nu is hij Shannan Distinguished Professor aan het Santa Fe Institute. (Hij is ook auteur van de bestseller "Scale, " over hoe de wiskundige wetten die de structuur en groei van de fysieke wereld bepalen, van toepassing zijn op het biologische leven en op de menselijke samenleving.)

Net als elektronen en andere leptonen, quarks lijken geen structuur te hebben en lijken ondeelbaar, zoals uitgelegd door de deeltjesfysicus Takaski Kubota van de Universiteit van Melbourne in The Conversation.

Quarks zijn zo klein dat het verbijsterend is om zelfs maar te proberen hun geschatte grootte uit te drukken. Jon Butterworth, hoogleraar natuurkunde aan de University College London, legde uit dat de straal van een quark ongeveer 2 is, 000 keer kleiner dan die van een proton, die op zijn beurt 2,4 biljoen keer zo klein is als een zandkorrel.

Bestaan ​​van quarks voor het eerst voorgesteld in 1964

Het bestaan ​​van quarks werd voor het eerst voorgesteld in 1964 door de theoretisch fysicus van het California Institute of Technology, Murray Gell-Mann, een van de sleutelfiguren in de ontwikkeling van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Gell-Mann, winnaar van de Nobelprijs voor de Natuurkunde 1969, ontdekte dat om de eigenschappen van protonen en neutronen te verklaren, ze uit kleinere deeltjes moesten bestaan. Tegelijkertijd, een andere CalTech-fysicus, Georg Zweig, kwam ook zelfstandig op het idee.

Het bestaan ​​van quarks werd bevestigd door experimenten die van 1967 tot 1973 werden uitgevoerd in het Stanford Linear Accelerator Center.

Een van de vreemde dingen over quarks, zoals West uitlegt, is dat ze kunnen worden waargenomen, maar ze kunnen niet worden geïsoleerd. "Er is een subtiel verschil, " zegt hij. "Ze zijn als elektronen in die zin dat elektronen fundamenteel zijn, maar met elektronen kunnen we ze observeren en ook isoleren. Je kunt een elektron aanwijzen. Met quarks, je kunt er niet een uit de kern halen en op tafel leggen en onderzoeken."

In plaats daarvan, door gebruik te maken van gigantische deeltjesversnellers, wetenschappers versnellen elektronen en gebruiken ze om de diepte van de kern te onderzoeken. Als ze diep genoeg naar binnen gaan, de elektronen zullen van de quarks verstrooien, die kunnen worden gemeten met behulp van zeer geavanceerde detectoren. "We reconstrueren wat zich in het doelwit bevindt waar protonen en neutronen uit bestaan, ', zegt West. 'Je ziet deze kleine puntobjecten die we identificeren als quarks.'

Er zijn zes soorten quarks

Quarks hebben fractionele ladingen in vergelijking met de protonen die ze vormen. Er zijn zes soorten quarks op basis van massa, en de deeltjes hebben ook een kwaliteit die kleur wordt genoemd, wat een manier is om te beschrijven hoe de sterke kracht hen bij elkaar houdt. Kleur wordt gedragen door gluonen - een soort boodschapper voor de sterke kracht die quarks samenbindt. (Ze zijn analoog aan fotonen.)

Een team natuurkundigen van de Universiteit van Kansas is van plan een apparaat te gebruiken dat is geïnstalleerd bij de Large Hadron Collider, een enorme deeltjesversneller in een 27 kilometer lange tunnel tussen Frankrijk en Zwitserland, om de sterke interactie tussen quarks en gluonen te onderzoeken.

"Het idee is om een ​​beter begrip te krijgen van het proton en de structuur van zware ionen - zoals lood bijvoorbeeld - en om een ​​nieuw fenomeen te bestuderen dat verzadiging wordt genoemd, "Christophe Royon, een natuurkundeprofessor aan de Universiteit van Kansas die het onderzoek leidt, legt het uit in een e-mail. "Als twee protonen of twee ionen met zeer hoge energie botsen, we zijn gevoelig voor hun substructuur - quarks en gluonen - en we kunnen een gebied onderzoeken waar de dichtheid van gluonen erg groot wordt."

"Een analogie zou de metro in New York zijn tijdens de spitsuren wanneer de metro volledig overbelast is, Royon gaat verder. In dat geval de gluonen gedragen zich niet als afzonderlijke identiteiten maar kunnen collectief gedrag vertonen, op dezelfde manier als een drukke metro, als iemand valt, iedereen zal het voelen omdat mensen zo dicht bij elkaar staan. Op een gegeven moment, de protonen of zware ionen kunnen zich gedragen als een vast object, als een glas, kleurglascondensaat genoemd. Dit is wat we willen zien bij de LHC en ook bij de toekomstige Electron-Ion Collider in de VS."

Royon zegt dat het vinden van bewijs voor het bestaan ​​van dit dichte gluonmateriaal een van de grootste onbeantwoorde vragen over quarks zou beantwoorden. "Dit is een nieuwe staat van zaken, "zegt hij. "Er zijn al enkele hints verschenen bij de Relativistic Heavy Ion Collider of de Large Hadron Collider, maar niets is nog zeker. Het zou een belangrijke ontdekking zijn, en zowel de Large Hadron Collider als de Electron-Ion Collider zijn ideale machines om dit te zien."

Wetenschappers vragen zich ook af of er misschien nog iets kleiners is dan een quark. "Het roept de vraag op, is er al een ander niveau?' zegt West. 'Daar weten we het antwoord niet op.'

Dat is nu interessant

Gell-Mann kreeg de naam voor het deeltje van James Joyce's experimentele roman uit 1939 "Finnegans Wake, " die de regel bevat, "Drie quarks voor Muster Mark!"