Een paar natuurkundigen kondigde de ontdekking aan van een subatomaire gebeurtenis die zo krachtig was dat de onderzoekers zich afvroegen of het te gevaarlijk was om openbaar te maken.
De explosieve gebeurtenis? Het duo toonde aan dat twee kleine deeltjes die bekend staan als bottom-quarks in theorie in een krachtige flits zouden kunnen samensmelten. Het resultaat: een groter subatomair deeltje, een tweede reserve-deeltje dat bekend staat als een nucleon, en een hele warboel van energie die het universum binnenstroomt. Deze 'quarksplosie' zou een nog krachtiger subatomair analoog zijn van de individuele kernfusiereacties die plaatsvinden in de kernen van waterstofbommen.
Quarks zijn kleine deeltjes die gewoonlijk aan elkaar worden vastgeklemd om de neutronen en protonen in atomen te vormen. Ze komen in zes versies of "smaken": boven, onder, boven, onder, vreemd en charme.
Energetische gebeurtenissen op subatomair niveau worden gemeten in mega-elektronvolt (MeV), en wanneer twee bodem-quarks samensmelten, ontdekten de natuurkundigen, maar liefst 138 MeV. Dat is ongeveer acht keer krachtiger dan een van de individuele kernfusie-evenementen die plaatsvinden in waterstofbommen (een volledige bomexplosie bestaat uit miljarden van deze gebeurtenissen). H-bommen smelten kleine waterstofkernen samen die bekend staan als deuteronen en tritonen om heliumkernen te creëren, samen met de krachtigste explosies in het menselijke arsenaal. Maar elk van die individuele reacties in de bommen geeft slechts ongeveer 18 MeV vrij, volgens het Nuclear Weapon Archive, een website gewijd aan het verzamelen van onderzoek en gegevens over kernwapens. Dat is veel minder dan de 138 MeV van de fuserende bottom quarks.
"Ik moet toegeven dat toen ik me voor het eerst realiseerde dat een dergelijke reactie mogelijk was, ik bang was", vertelde co-onderzoeker Marek Karliner van de Tel Aviv University in Israël aan WordsSideKick.com. 'Maar gelukkig is het een one-trick pony.'
Hoe krachtig fusiereacties ook zijn, een enkel geval van fusie alleen is helemaal niet gevaarlijk. Waterstofbommen ontlenen hun enorme kracht aan kettingreacties - de trapsgewijze versmelting van heel veel kernen tegelijk.
Karliner en Jonathan Rosner, van de Universiteit van Chicago, stelden vast dat een dergelijke kettingreactie niet mogelijk zou zijn met bottom-quarks, en deelden voor het publiceren hun inzicht privé met collega's, die het daarmee eens waren.
'Als ik had gedacht dat dit een militaire toepassing zou hebben, zou ik het niet hebben gepubliceerd', zei Karliner.
Om een kettingreactie op gang te brengen, hebben atoombommakers grote voorraden deeltjes nodig. En een belangrijke eigenschap van bottom-quarks maakt het onmogelijk om ze op te slaan: ze verdwijnen uit het bestaan slechts 1 picoseconde nadat ze zijn gemaakt, of in ongeveer de tijd die het kost om de helft van de lengte van een enkele korrel zout te reizen. Na die tijd vervallen ze tot een veel algemener en minder energetisch soort subatomair deeltje, bekend als de up-quark.
Het is misschien mogelijk om enkele fusiereacties van bottom-quarks te genereren in kilometerslange deeltjesversnellers, aldus de wetenschappers. Maar zelfs binnen een gaspedaal kon men niet genoeg massa quarks verzamelen om schade aan de wereld aan te richten, aldus de onderzoekers. U hoeft zich dus geen zorgen te maken over bottom-quark-bommen.
De ontdekking is echter opwindend, omdat het het eerste theoretische bewijs is dat het mogelijk is om subatomaire deeltjes samen te smelten op manieren die energie vrijmaken, zei Karliner. Dat is een gloednieuw terrein in de fysica van zeer kleine deeltjes, mogelijk gemaakt door een experiment in de Large Hadron Collider bij CERN, het enorme deeltjesfysica-laboratorium bij Genève.
Hier is hoe de natuurkundigen deze ontdekking deden.
Bij CERN ritselen deeltjes met bijna lichte snelheid rond een 27 kilometer lange (27 kilometer) ondergrondse ring voordat ze tegen elkaar botsen. De wetenschappers gebruiken vervolgens krachtige computers om de gegevens van die botsingen te doorzoeken, en uit dat onderzoek komen soms vreemde deeltjes naar voren. In juni kwam er iets heel vreemds naar voren in de gegevens van een van die botsingen: een "dubbel gecharmeerd" baryon, of een omvangrijke neef van het neutron en het proton, die zelf bestaat uit twee neven van de "onderste" en "bovenste" quarks bekend als "charme" quarks.
Charme-quarks zijn nu erg zwaar in vergelijking met de meer gebruikelijke op-en-neer-quarks die protonen en neutronen vormen. En wanneer zware deeltjes aan elkaar binden, zetten ze een groot deel van hun massa om in bindende energie en produceren ze in sommige gevallen een hoop overgebleven energie die naar het universum ontsnapt.
Wanneer twee charm-quarks samensmelten, ontdekten Karliner en Rosner, binden de deeltjes zich met een energie van ongeveer 130 MeV en spuwen ze 12 MeV uit in overgebleven energie (ongeveer tweederde van de energie van deuteron-triton-fusie). Die gecharmeerde fusie was de eerste reactie van deeltjes op deze schaal ooit gevonden om op deze manier energie uit te stoten, en is het belangrijkste resultaat van de nieuwe studie, gisteren (1 november) gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
De nog meer energetische samensmelting van twee onderste quarks, die binden met een energie van 280 MeV en 138 MeV uitspugen wanneer ze fuseren, is de tweede en krachtigere van de twee ontdekte reacties.
Tot dusver zijn deze reacties volledig theoretisch en niet aangetoond in een laboratorium. Die volgende stap zou echter snel moeten komen. Karliner zei dat hij verwacht de eerste experimenten de komende jaren bij CERN te zien.
Opmerking van de uitgever: Dit artikel is bijgewerkt om een verklaring te corrigeren waarin staat dat topquarks neutronen en protonen vormen. Op en neer quarks vormen protonen en neutronen.
