ZEUS
een zee van quarks
HERA-versneller
In 1911 ontdekte Ernest Rutherford dat het atoom geen deeltje uit één stuk is, maar bestaat uit een kleine, harde kern waar elektronen omheen draaien. In zijn experimenten beschoot Rutherford goudfolie met heliumkernen. Sommige van die kernen werden onder grote hoeken weggekaatst en Rutherford concludeerde dat zij waren gestuit op 'de harde kern' in het goudatoom.
Vervolgexperimenten toonden aan dat de kern uit harde pitten, protonen en neutronen, bestaat. Eind jaren zestig werden de protonen op hun beurt beschoten en bleken ook zij uit kleinere deeltjes te zijn opgebouwd. In die experimenten in Stanford (VS) werden elektronen met energieën van 20 GeV als projectiel gebruikt. In figuur 1 is schematisch weergegeven hoe zo'n elektron tijdens de botsing verstrooid wordt aan een puntdeeltje -een quark- in het proton. Omdat meer substructuur zichtbaar wordt naarmate de botsingen heviger zijn, werden in latere experimenten elektronen of hun anti-deeltjes de positronen met hogere energieën gebruikt. Inmiddels weten we dat protonen (en hun neutrale partners, de neutronen) uit drie 'valentiequarks' zijn opgebouwd. Deze drie quarks dragen samen de karakteristieke eigenschappen van het proton. Zij kunnen niet 'vrij' worden waargenomen omdat de sterke wisselwerking hen aan elkaar 'kluistert'. Als gevolg van deze sterke kracht wisselen de quarks voortdurend lijmdeeltjes -gluonen- uit en daaruit ontstaan volgens de wetten van de quantummechanica weer kortlevende quark-antiquarkparen. Zo ontstaat een 'zee' van verschijnende en verdwijnende quarks.
figuur 1
Hoe ziet zo'n 'quarkzee' er precies uit? En kunnen quarks ook weer een substructuur hebben? Om dit soort vragen te beantwoorden werd in Hamburg bij DESY de HERA-versneller gebouwd waarin elektronen of positronen met een energie van 30 GeV en protonen met een energie van 820 GeV in tegengestelde richting bewegen. Op twee plaatsen worden zij met elkaar in botsing gebracht. Daarbij worden botsingsenergieën bereikt waarmee de protonstruktuur tot op een duizendste van de protonstraal (10-18m) zichtbaar gemaakt kan worden.
figuur 2 Module van de calorimeter
Een van de experimenten bij de HERA-ring is het ZEUS-experiment waaraan ook het NIKHEF meewerkt. Het hart van dit experiment wordt gevormd door dradenkamers waarin de sporen worden vastgelegd van alle geladen deeltjes die tijdens de botsingen ontstaan. Om de energieën van deze deeltjes te meten wordt een zogenaamde calorimeter gebruikt, in wezen een groot blok materiaal van hoge dichtheid. In het ZEUS-experiment is voor verarmd uranium gekozen en deeltjes (geladen en neutraal) die hierin binnendringen, verliezen gaandeweg hun energie door botsingen met de uraniumkernen. Daarbij wordt telkens een lawine van secundaire deeltjes geproduceerd. Hoe lang het lawineproducerende deeltje uiteindelijk onderweg is, hangt af van zijn energie.
Het inwendige van de ZEUS detector
In figuur 2 is te zien hoe het uranium is doorsneden met lagen scintillatormateriaal die een lichtflits produceren zodra een geladen deeltje passeert. Hierin wordt de totale hoeveelheid licht gemeten, die evenredig is met de energie van het deeltje dat de lawines veroorzaakt. Uit de gemeten energie van alle deeltjes en uit de gereconstrueerde sporen, kunnen we vervolgens precies afleiden wat er tijdens een botsing is gebeurd.
figuur 3
Met de ZEUS-detector kunnen we het proton in detail bestuderen en wordt een groot deel van de zeequarks en gluonen zichtbaar. In een verdere analyse is ook de theorie van de quantumchromodynamica die de wisselwerking tussen quarks en gluonen beschrijft, voor het eerst op deze afstandschaal getoetst. Opmerkelijk is dat het proton in 10% van de botsingen intakt blijft. Het lijkt erop dat in plaats van een quark een neutraal object wordt geraakt dat door het proton is uitgezonden. We vermoeden dat het -jaren geleden al geïntroduceerde maar niet helemaal begrepen- pomerondeeltje hierbij een rol speelt. Recent is ook een aantal spectaculaire botsingen gezien waarvan er een is afgebeeld in figuur 3. Tijdens dit type botsing wordt het grootste deel van de impuls van het proton overgedragen op het elektron dat daardoor van richting verandert en omkeert. Deze 'verstrooiing onder zeer grote hoeken' lijkt vaker op te treden dan op grond van de theorie wordt verwacht, maar om hierover een uitspraak te doen moeten we meer gebeurtenissen verzamelen.
ZEUS opengeschoven
Terug naar de index.