Sporen van deeltjes

In het Standaard Model van de elektrozwakke en sterke wisselwerking worden de bouwstenen van de materie in drie generaties van elk twee quarks en twee leptonen ingedeeld. In tabel 1 wordt naast de benaming ook de massa van deze deeltjes gegeven.

Tabel 1: Een overzicht van de elementaire deeltjes.

naam	type	massa (MeV/c$^2$)
u	up-quark	1.5-5
d	down-quark	3-9
$\nu_e$	elektron-neutrino (lepton)	$<$7.3 x 10$^{-6}$
e	elektron (lepton)	0.511
c	charm-quark	1100-1400
s	strange-quark	100-300
$\nu_{\mu}$	muon-neutrino (lepton)	$<$0.17
$\mu$	muon (lepton)	106
t	top-quark	174000
b	bottom-quark	4100-4400
$\nu_{\tau}$	tau-neutrino (lepton)	$<$18
$\tau$	tau (lepton)	1777

Quarks worden alleen waargenomen in een gebonden toestand van een quark met een antiquark (meson) of van drie quarks (baryon). De zware leptonen en quarks die in lichtere soorten vervallen onder invloed van de zwakke wisselwerking, hebben een typische eigen vervaltijd van 10$^{-13}$- 10$^{-12}$ s. Zo zal een charm-meson (één van de quarks is een c-quark) met een impuls van enkele GeV's zich over enkele honderden micrometers verplaatsen alvorens te vervallen in andere deeltjes. Enkele voorbeelden zijn gegeven in tabel 2.

Tabel 2: Enkele hadronen met hun specifieke vervaltijd.

naam	eigen levensduur $\tau$ (10$^{-12}$s)	eigen vervalslengte c$\tau$($\mu$m)
D$^0$(c$\overline{u}$)	0.415	124
D$^+$ (c$\overline{d}$)	1.057	317
B$^+$ (u$\overline{b}$)	1.65	495
$\Lambda_c$$^+$ (udc)	0.206	62

Figuur 1 toont een weergave van de reconstructie van de vervalslengte.

Figuur 1: Schematische voorstelling van een verval. Door de sporen te meten die door de vervalsproducten worden veroorzaakt kan de vervalslengte van het oorspronkelijke deeltje worden bepaald.

Vooropgesteld dat men de beschikking heeft over detectors waarmee de positie van een passerend deeltje voldoende nauwkeurig bepaald kan worden is men in staat het punt in de ruimte te reconstrueren waar het verval plaats vond; daaruit volgt de aard van het oorspronkelijke deeltje.

Het gebruik van silicium detectors heeft de afgelopen jaren de kennis van de fysica van de elementaire deeltjes drastisch uitgebreid. De meting van de vervalslengte heeft geleid tot een nauwkeurige bepaling van de levensduur van de meeste zware mesonen en baryonen. Het ontstaan van zware mesonen in botsingsprocessen kan via hun verval aangetoond worden. De produktie van zware mesonen, d.w.z. zware quarks, leent zich bij uitstek voor een kwantitatieve vergelijking met (storings)theoretische berekeningen. Bovendien spelen zware quarks een centrale rol bij het zoeken naar het Higgs boson en bij het onderzoek naar asymmetrie in de eigenschappen van materie en anti-materie.