Pentaquarks, hypothetische Hexaquarks&Heptaquarks

[Regor]

Blijkbaar zijn quarks de allerkleinste fundamentele bouwtenen van de materie / natuur.
Na een aantal artikels erover gelezen te hebben begint het / ik zowat te duizelen.
Er bestaan (voorlopig ?) blijkbaar 6 quarks , Upquark, downquark, topquark, bottomquark, charmquark en strangequark, en elk zijn anti )-quark.
Ik las een artikel over pentaquarks en kreeg de indruk dat met de 6 quarks en 6 anti-quarks nog alle kanten uit kon voor het theoretisch concipieren dan deeltjes !

Is er echt nog ernst mee gemoeid .....; of wordt het "puzzeltje leggen " voor dikbetaalde (?) wetenschappers ?

[Regor]

Een paar bedenkingen ivm quarks zijn:
Vrije quarks komen niet voor.
1. Wat is daarvan de onderliggende fundamentele reden ....... hoe kwam men tot dat besluit ?
2. Gezien ze niet vrij voorkomen.....hoe kon men ze dan vaststellen / constateren ?
3. Waarom is het nodig om wiskundig .... andere hypothetische quark combinaties te veronderstellen ?
4. Waarom verondersteld men dat quarks bestaan uit hypothetische preonen of andere benamingen in andere theorieen. ?

[wnvl1]

Hier een aanzet voor een antwoord op vraag 1.



Stap 1: Elektromagnetisme (QED) als referentie
De potentiaal-energie tussen twee tegengestelde ladingen is:
\[
V_{\text{QED}}(r) = -\frac{1}{4\pi\epsilon_0} \frac{e^2}{r}
\]
Voor \( r \to \infty \) gaat \( V(r) \to 0 \). Vrije deeltjes zijn mogelijk.

Stap 2: De lopende koppelingsconstante in QCD
In de kwantumchromodynamica hangt de sterkte van de interactie af van de energieschaal \( Q \):
\[
\alpha_s(Q^2) = \frac{12\pi}{(33 - 2n_f) \ln(Q^2/\Lambda_{\text{QCD}}^2)}
\]
Hierbij is:
- \( Q \) = impulsoverschrijding (grote \( Q \) = kleine afstanden)
- \( n_f \) = aantal quarksmaken (meestal \( n_f \le 6 \))
- \( \Lambda_{\text{QCD}} \approx 200\ \text{MeV} \) (fundamentele schaal)

Omdat \( 33 - 2n_f > 0 \), geldt:
\[
\lim_{Q^2 \to \infty} \alpha_s(Q^2) = 0 \quad \text{(asymptotische vrijheid)}
\]
\[
\lim_{Q^2 \to \Lambda_{\text{QCD}}^2} \alpha_s(Q^2) = \infty \quad \text{(infrarood gevangen)}
\]

Stap 3: De quark-antiquark potentiaal
Uit rooster-QCD berekeningen volgt:
\[
V_{\text{QCD}}(r) = -\frac{4}{3} \frac{\alpha_s(r)}{r} + \sigma r + \text{(constant)}
\]
met:
- Eerste term: Coulomb-achtig (kleine \( r \))
- Tweede term: lineair (grote \( r \)), met \( \sigma \) de string tension (touwspanning)
- Experimenteel: \( \sigma \approx 0,9\ \text{GeV/fm} \)

Voor grote afstanden domineert de lineaire term:
\[
V_{\text{QCD}}(r) \approx \sigma r
\]

Stap 4: Waarom geen vrije quarks?
De energie om een quark en antiquark tot afstand \( R \) te scheiden is:
\[
E(R) = \int_0^R \sigma \, dr = \sigma R
\]
Wanneer \( E(R) \ge 2m_q c^2 \) (de massa-energie van twee lichte quarks, \(\approx 600\ \text{MeV}\)), wordt het energetisch gunstiger om een nieuw quark-antiquarkpaar uit het vacuüm te creëren. De kritische afstand is:
\[
R_{\text{crit}} = \frac{2m_q}{\sigma} \approx \frac{600\ \text{MeV}}{0,9\ \text{GeV/fm}} \approx 0,7\ \text{fm}
\]
Op dat moment ontstaan twee gebonden hadronen in plaats van één vrij quark.

[Regor]

@wnvl1,

Dank U,
Ik heb het er moeilijk mee:
U gaat er van uit dat ze bestaan .... en dan bewijst U dat ze niet vrij kunnen voorkomen.

Daarom had ik eerst vraag 2 moeten stellen.
Gezien ze blijkbaar niet vrij voorkomen ..... hoe kon men het bestaan dan vaststellen.

[wnvl1]

In de fysica bewijst men niet dat iets absoluut bestaat. Men bouwt modellen die natuurverschijnselen zo eenvoudig en zo nauwkeurig mogelijk beschrijven. Wanneer een model met weinig aannames zeer veel experimenten correct voorspelt, krijgt het een sterke geloofwaardigheid.

Men is dus niet begonnen met de zekerheid dat quarks werkelijk bestaan. Men stelde het quarkmodel oorspronkelijk voor omdat men merkte dat de vele ontdekte hadronen duidelijke patronen vertoonden. Protonen, neutronen en vele andere deeltjes konden in families worden ondergebracht met vaste verbanden tussen lading, spin en massa. Het leek alsof deze deeltjes opgebouwd waren uit eenvoudigere bouwstenen. Het quarkmodel van Murray Gell-Mann gaf een opmerkelijk eenvoudige verklaring voor die patronen.

De grote moeilijkheid was inderdaad dat vrije quarks nooit werden waargenomen. Daarom vroegen veel natuurkundigen zich aanvankelijk af of quarks wel echte fysische objecten waren of slechts een wiskundige truc. Het keerpunt kwam er door experimenten waarbij elektronen met zeer hoge energie op protonen werden geschoten in SLAC National Accelerator Laboratory. Uit de manier waarop de elektronen werden verstrooid, bleek dat protonen geen homogene bolletjes zijn, maar interne zeer kleine puntachtige componenten bevatten. Die interne componenten werden eerst “partons” genoemd. Later bleek dat hun eigenschappen precies overeenkwamen met wat het quarkmodel voorspelde.

Men heeft dus geen vrije quarks rechtstreeks gezien zoals men bijvoorbeeld een elektron kan detecteren. Men heeft wel de effecten gezien van objecten binnenin protonen die zich gedragen alsof het quarks zijn. Dat is vergelijkbaar met hoe men vroeger het bestaan van atomen afleidde uit indirecte effecten lang voordat men individuele atomen rechtstreeks kon afbeelden.

De theorie van de sterke wisselwerking, namelijk Quantum Chromodynamics, verklaart vervolgens waarom vrije quarks niet voorkomen. Bij de sterke kracht gebeurt iets ongewoons. Wanneer men quarks verder uit elkaar probeert te trekken, wordt de kracht tussen hen juist groter. Daardoor kost het steeds meer energie om een quark vrij te maken. Op een bepaald moment wordt het energetisch gunstiger om nieuwe quark-antiquarkparen te vormen dan één enkel vrij quark los te maken. Daarom ontstaan bij botsingen altijd nieuwe samengestelde deeltjes in plaats van geïsoleerde quarks.

Het bestaan van quarks wordt vandaag ondersteund door een zeer grote hoeveelheid experimenteel bewijs. Botsingsexperimenten, de vorming van deeltjesjets, spectra van hadronen en vele andere metingen stemmen allemaal overeen met het quarkmodel. Tot nu toe heeft geen enkele alternatieve theorie dezelfde verklarende kracht gehad.

Sommige natuurkundigen speculeren toch nog over diepere bouwstenen, zoals preonen. Dat gebeurt omdat men zich afvraagt waarom er precies zes soorten quarks bestaan en waarom zij precies die massa’s en eigenschappen hebben. Men probeert dus mogelijk nog fundamentelere structuren te vinden. Tot nu toe is er echter geen experimenteel bewijs dat quarks uit kleinere objecten bestaan. Volgens alle huidige metingen gedragen quarks zich als elementaire puntdeeltjes.

[Regor]

@wnvl1,

Dank U,

Wat een genoegen om uw posts te lezen, daar zijn geen woorden voor.

Wat ik nog niet lees in uw posts, (geen probleem hoor) , is waarom er meertallige dan drie quark combinaties zijn .... zelfs met inbegrip van anti- quarks in de samenstelling.
Dat lijkt mij toch op den duur meer aan wiskundige puzzelstukjes warbij men streeft naar meetkundige symmetrieen qua eigenschappen !
Graag uw visie als reactie op vraag / bedenking 3

[wnvl1]

De reden waarom men meer dan drie quarks onderzoekt, komt voort uit de theorie van de sterke wisselwerking, namelijk Quantum Chromodynamica. In die theorie is de fundamentele eis niet dat een deeltje exact uit drie quarks moet bestaan. De fundamentele eis is dat het totale object kleurloos moet zijn.

Een baryon met drie quarks is kleurloos. Een meson met een quark en een antiquark is eveneens kleurloos. De theorie laat echter ook toe dat complexere combinaties kleurloos kunnen zijn. Daardoor zijn bijvoorbeeld ook combinaties met vier quarks en één antiquark theoretisch mogelijk.

Daarmee is natuurlijk nog niet bewezen dat zulke toestanden ook fysisch stabiel of waarneembaar zijn. Gedurende lange tijd vroegen veel fysici zich af of exotische quarktoestanden wel echte deeltjes zijn, of eerder tijdelijke resonanties die ontstaan tijdens botsingen. Sommige onderzoekers vergelijken zulke toestanden eerder met moleculaire bindingen tussen gewone hadronen dan met volledig nieuwe fundamentele deeltjes. Dat debat bestaat vandaag trouwens nog altijd gedeeltelijk.

Men gaat dus niet zomaar willekeurig puzzelstukjes combineren omdat het mathematisch mogelijk is. Men onderzoekt experimenteel of bepaalde botsingsgegevens resonanties tonen die men met gewone baryonen of mesonen niet goed kan verklaren.

Pas wanneer een resonantie herhaaldelijk wordt waargenomen, wanneer de massa overeenkomt met de voorspellingen, wanneer de vervalproducten kloppen en wanneer de quantumgetallen niet passen binnen het klassieke schema, begint men te spreken over mogelijke tetraquarks of pentaquarks.

[flappelap]

Achter die asymptotische vrijheid die quarks ervaren zit nog een mooi verhaal: Gerard 't Hooft had aangetoond dat Yang-Mills theorieën asymptotisch vrij kunnen zijn ("een negatieve beta-functie hebben") in een tijd dat men ging overwegen om de sterke kernkracht met Yang-Millstheorie te beschrijven. Als hij dat resultaat gepubliceerd had, zou hij een tweede Nobelprijs hebben gewonnen.

Anthony Zee realiseerde zich rond diezelfde tijd (rond 1972) juist dat Yang-Mills onder de juiste omstandigheden waarschijnlijk een negatieve beta-functie kon herbergen, maar kon dit wiskundig niet hard maken.

Aanrader:

https://www.amazon.nl/Infinity-Puzzle-Q ... 0465021441

[wnvl1]

Frank Wilczek, die uiteindelijk wel een Nobelprijs heeft gekregen voor asymptotische vrijheid, heeft ook een paar populaire boeken hierover geschreven. Hij komt ook geregeld in podcasts. Best wel een aangename persoon om naar te luisteren.

[flappelap]

Hij is nog eens op bezoek geweest bij ons tijdens mijn promotie, samen met z'n vrouw. Ik heb van zijn promotor David Gross ooit nog eens colleges gevolgd in Brussel, maar daar was weinig van te begrijpen. Ook omdat er nogal wat slordigheden op het bord stonden, die volgens mij uit beleefdheid niemand durfde te corrigeren

[Regor]

@flappelap,

Dank U,

Maar ik lees helaas geen boeken meer..;kruipt teveel tijd in .... en die heb ik niet meer.