DELPHI: voorspellingen komen uit
DELPHI is één van de vier grote botsingsexperimenten bij de LEP-versneller. In een ondergrondse ruimte waar een kathedraal in zou passen, staat de DELPHI-detektor. De detektor weegt 3500 ton en heeft de vorm van een cilinder met een lengte en diameter van 10 meter.
DELPHI bestaat in wezen uit verschillende detectoren die als schillen van een ui rond de botsingsplaats staan opgesteld. Die detectoren meten de deeltjessporen met grote precisie waardoor richting, impuls en energie van de deeltjes met grote nauwkeurigheid kan worden bepaald. De binnenste detector bevindt zich op slechts vijf centimeter afstand van het botsingspunt en registreert de sporen van de kortstlevende deeltjes met een precisie van 10 micron. Verder is DELPHI uitgerust met een speciale detektor waarmee deeltjes zoals de zeldzame en interessante kaonen geïdentificeerd worden.
De energie van de deeltjesbundels in LEP ligt rond de 45 GeV en is zo gekozen omdat dan bij de botsingen veel Z0-deeltjes geproduceerd worden. Z0-deeltjes zijn de dragerdeeltjes van de zwakke kracht. Deze kracht is verantwoordelijk voor radioactief verval en laat bijvoorbeeld de zon branden. De zwakke kracht wordt, samen met de elektromagnetische en de sterke kracht, beschreven in het Standaard Model. Naast de dragerdeeltjes van deze krachten worden ook de andere fundamentele deeltjes beschreven; de quarks en leptonen. Quarks zijn de bouwstenen van deeltjes (zoals protonen) die aan de sterke kracht onderhevig zijn en kunnen in drie paren gerangschikt worden. Ook de leptonen (zoals elektronen) vormen drie paren. Leptonen voelen de sterke kracht niet.
Een lepton- en een quarkpaar vormen een deeltjesfamilie en zodoende zijn er nu drie deeltjesfamilies bekend. In principe zou er ook een vierde (of vijfde), nog niet waargenomen, deeltjesfamilie kunnen bestaan. Het vaststellen van het aantal deeltjesfamilies is een belangrijk en wezenlijk succes van de LEP-experimenten tot nu toe.
Als de energie van de deeltjesbundels bij LEP wordt gevarieerd in het gebied rond de 45 GeV ontstaat een zogenaamde resonantiecurve. In de resonantiecurve (figuur1) is het aantal geproduceerde Z0-deeltjes uitgezet tegen de som van de energieën van de deeltjesbundels. Net zoals een voorwerp bij een bepaalde, voor het voorwerp karakteristieke geluidsfrequentie plotseling meetrilt (resoneert), worden de meeste Z0-deeltjes geproduceerd bij de energie die overeenkomt met hun massa. Uit de plaats van de piek kan dus direkt de Z0-massa worden afgeleid.
Merkwaardigerwijze bleek de zo gemeten Z0-massa te fluctueren. Toen in deze kleine maar onverklaarbare schommelingen een patroon was ontdekt, werd duidelijk dat de maan verantwoordelijk was. Door de zwaartekracht van de maan verandert de omtrek van LEP ongeveer een millimeter. De bundelenergie verandert daardoor met 10 MeV (figuur 2). Pas na correctie voor dit 'getijdeneffekt' kon de Z0-massa tot op vijfduizendste procent nauwkeurig bepaald worden.
Bij de bepaling van het aantal deeltjesfamilies draait het om de breedte van de resonantiecurve. De curve wordt breder als de levensduur van het Z0-deeltje afneemt. En de levensduur neemt af naarmate er meer manieren zijn waarop het Z0-deeltje kan vervallen. Net zoals een lekke emmer sneller leegstroomt naarmate er meer gaten in zitten. Omdat het Z0-deeltje onder andere in een neutrino en een anti-neutrino vervalt, is de levensduur van de Z0 een maat voor het aantal neutrino's - en dus het aantal deeltjesfamilies.
Met de acht miljoen Z0-gebeurtenissen die in de LEP-experimenten verzameld zijn, is dit aantal vastgesteld op drie; de meting is tot op een procent nauwkeurig. Natuurlijk kan er alleen een geheel aantal neutrino's bestaan. Sommige speculatieve theorieen voorspellen echter exotische deeltjes die zich niet volgens de wetten van het Standaard Model gedragen. Als het Z0-deeltje naar zulke deeltjes zou vervallen, dan zou de breedte van de curve overeenkomen met iets meer dan 3 neutrino's. Het LEP-resultaat sluit ook dit uit .
Terug naar de index.