Exotische materie

Tot nu toe beschreven we alle bouwstenen die nodig zijn om de materie op aarde te verklaren: up- en down-quarks, elektronen, neutrino's, en de krachten die tussen hen werken. Maar de natuur bleek rijker dan dat. In de kosmische straling – en later in deeltjesversnellers – doken steeds vaker onverwachte deeltjes op die in geen enkel schema pasten. Ze waren niet opgebouwd uit de bekende quarks en gedroegen zich op een vreemde manier. Het onderzoek naar deze exotische deeltjes leidde uiteindelijk tot een van de meest verrassende ontdekkingen in de deeltjesfysica: de materie zoals wij ze kennen is slechts één van drie volledige families van deeltjes.

Strangeness: een nieuwe eigenschap

In de kosmische straling werden deeltjes waargenomen die een opvallend lange levensduur hadden voor hun massa – alsof er iets in hun structuur was dat hun verval vertraagde. Fysici gaven deze eigenschap de naam strangeness: een getal dat aangeeft hoeveel vreemde inhoud een deeltje bevat. Mesonen kunnen een strangeness van +1 of −1 dragen, baryonen van −1, −2 of zelfs −3.

De verklaring bleek simpel en elegant: deze deeltjes bevatten een derde quarksoort – het strange quark (s). Het strange quark lijkt sterk op het down quark, maar is beduidend zwaarder (~100 MeV versus ~5 MeV) en draagt strangeness als extra eigenschap. Hiermee was het beeld van twee quarksoorten voorgoed doorbroken.

Quark	Lading	Massa	Spin
Strange (s)	−1/3 e	~100 MeV	1/2

Charm: de zwaardere broer van het up quark

Het strange quark is als het ware een zwaardere versie van het down quark. Dat deed de vraag rijzen: bestaat er ook een zwaardere tegenhanger van het up quark? In 1974 werd het antwoord gevonden: het charm quark (c), met een lading van +2/3 en een massa van ~1.3 GeV – meer dan honderd keer zwaarder dan het up quark. De ontdekking ervan, gelijktijdig in twee onafhankelijke experimenten, was zo spectaculair dat men sprak van de November-revolutie in de deeltjesfysica.

Quark	Lading	Massa	Spin
Charm (c)	+2/3 e	~1.3 GeV	1/2

Zwaardere tegenhangers van het elektron

Parallel aan de ontdekkingen bij quarks stelde men vast dat ook het elektron een zwaardere tegenhanger had. Het muon ($μ$) werd in 1936 in de kosmische straling ontdekt en gedraagt zich in alle opzichten als een elektron, maar is ~207 keer zwaarder. Het bijbehorende muon-neutrino ($ν_μ$) werd in 1962 bevestigd.

De ontdekking van het muon was destijds zo verwarrend omdat het zich gedroeg als een elektron, maar toch ~207× zwaarder was. Dat brak het toenmalige idee dat het "elektron" uniek was. Nobelprijswinnaar I.I. Rabi vatte de verbazing samen met: 'Who ordered that?'

Een derde generatie

In 1973 voorspelden Kobayashi en Maskawa het bestaan van een volledige derde generatie deeltjes, nodig om een subtiel verschijnsel te verklaren: CP-schending, het feit dat materie en antimaterie zich niet volledig symmetrisch gedragen. Zonder deze asymmetrie zou het vroege universum evenveel materie als antimaterie hebben geproduceerd, en hadden beide soorten elkaar volledig vernietigd. CP-schending is een noodzakelijk ingrediënt in verklaringen van de materie-antimaterie-asymmetrie, maar de hoeveelheid CP-schending in het Standaardmodel volstaat niet om het volledige overschot aan materie te verklaren.

De voorspelling werd in de jaren daarna stuk voor stuk bevestigd:

Ontdekking	Jaar
Bottom quark (b)	1977
Tau lepton (τ)	1975
Top quark (t)	1995
Tau-neutrino (ν_τ)	2000

Het top quark is met een massa van ~173 GeV – zo zwaar als een goud atoom – het zwaarste fundamentele deeltje dat tot op heden bekend is.

Drie generaties: een patroon

Met deze ontdekkingen werd een verrassend patroon zichtbaar. De fundamentele fermionen zijn niet willekeurig verspreid, maar geordend in drie generaties, elk een exacte herhaling van de vorige maar zwaarder:

	Generatie I	Generatie II	Generatie III
Quark (lading +2/3)	Up (u)	Charm (c)	Top (t)
Quark (lading −1/3)	Down (d)	Strange (s)	Bottom (b)
Geladen lepton	Elektron (e)	Muon (μ)	Tau (τ)
Neutrino	$ν_e$	$ν_μ$	$ν_τ$

Gewone materie – alles om ons heen – is uitsluitend opgebouwd uit de eerste generatie. De tweede en derde generatie zijn instabiel en vervallen snel terug naar de eerste. Ze bestonden volop in het vroege, hete universum en kunnen vandaag worden nagebootst in deeltjesversnellers. Waarom er precies drie generaties zijn en niet meer of minder, is een vraag die het Standaardmodel beschrijft maar niet verklaart.