Lezersvraag: waarom annihileren mesonen zichzelf niet?

Deeltjesdierentuin-lezer Co Lerakker stelde elders op deze site de volgende vraag:

“Hoe kunnen een quark en een antiquark samen in een meson zitten zonder dat het tot annihilatie van beide komt?”

Een heel goede vraag, die ik niet beantwoord in het boek; vandaar deze blogpost.

Eerst even twee dingen die je moet weten om de vraag te begrijpen:

  • Als een deeltje en het corresponderende antideeltje elkaar tegenkomen, verdwijnen ze, waarbij de energie van beide vrijkomt in de vorm van licht. Dit proces wordt annihilatie genoemd.
  • Een meson is een deeltje dat bestaat uit een quark en een antiquark.

Nu is het allereerst zo dat veel mesonen bestaan uit een quark en een antiquark met een verschillende smaak. Neem het positief geladen pion; dat bestaat uit een upquark en een antidownquark. Dat is geen koppel van een deeltje en het corresponderende antideeltje. Annihilatie is in dat geval niet mogelijk, dus gaat de vraag van Co hier niet op.

Maar er zijn ook mesonen die wél uit een quark en de corresponderende antiquark bestaan. Zo is er het J/Ψ-deeltje, dat bestaat uit een charmquark en een anticharmquark. Of het upsilondeeltje, dat bestaat uit een bottomquark en een antibottomquark. Hoe kunnen die deeltjes naast elkaar in één meson blijven bestaan?

Nou, dat kunnen ze niet – of in elk geval niet lang. Dit soort deeltjes is maar een heel kort leven beschoren (in de orde van een honderdste van een miljardste van een miljardste van een seconde), voor een belangrijk deel doordat de quark en de antiquark elkaar op een gegeven moment vinden en annihileren. Dan houd je ofwel twee fotonen over (‘echte’ annihilatie) of er ontstaat één foton – een zogenoemd virtueel foton – dat op zijn beurt een nieuw deeltje-antideeltje-koppel baart.

Om er nog ietsje dieper op in te gaan (afhaken mag): een meson dat uit een quark en de bijbehorende antiquark bestaat, zou ook kunnen vervallen via de sterke kracht. Dan komt alleen wel het begrip kleur om de hoek kijken: een deeltje dat in de natuur voorkomt heeft netto geen kleur. Bij een meson is dat zo doordat de quark en de antiquark waar het uit bestaat respectievelijk rood en antirood zijn, groen en antigroen, of blauw en antiblauw.

Vervalt zo’n kleurloos meson en ontstaat daarbij één gluon, dan is er een probleem: een gluon heeft namelijk wél een kleur. Hierdoor kan een combinatie van quark en antiquark niet naar één gluon vervallen. Wat wel kan, is een verval naar twee gluonen die samen kleurloos zijn. Maar dat proces is weer een stuk zeldzamer, en daardoor speelt de sterke kracht niet zo’n grote rol bij het verval van mesonen.

Als een meson bestaat uit een quark en een antiquark die niet met elkaar corresponderen, is annihilatie en verval door middel van de sterke kracht allebei niet mogelijk. Toch heb je dan nog steeds geen deeltje dat gewoon blijft bestaan. Ook deze deeltjes vervallen, maar dan via de zwakke kracht. Dat is bijvoorbeeld zo bij het al genoemde positieve pion. Dat vervalt, na een levensduur van enkele honderdsten van een miljoenste van een seconde, via een W-deeltje (een van de deeltjes die bij de zwakke kracht horen) tot een muon en een muonneutrino, of tot een anti-elektron en een elektronneutrino.

Kortom: mesonen zijn deeltjes met maar een heel korte levensduur. Bij sommige soorten komt dat met name doordat de bestanddelen elkaar kunnen annihileren, maar als dat niet zo is, dan maakt de zwakke kracht er wel korte metten mee binnen een fractie van een seconde.

Met dank aan deeltjesfysicus Marcel Merk voor het meedenken over het antwoord!

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *