Ruwweg bestaat de ons omringende wereld uit twee soorten deeltjes. De krachtvoelende deeltjes onderverdeeld in twee categoriën, de leptonen (bijv. de elektronen) en de hadronen (bijv. de protonen). De tweede soort bestaat uit de krachtvoerende deeltjes, de zogenaamde ijkdeeltjes. Een voorbeeld van deze laatste is het lichtquantum ofwel foton. Deze drie deeltjes zijn de belangrijkste ingrediënten voor de opbouw van de materie. Een elektron gebonden aan een proton door de elektrische aantrekkingskracht, welke wordt uitgewisseld door fotonen, vormt het waterstofatoom met een afmeting van ongeveen 10-10m. Het onderscheid tussen leptonen en hadronen volgt uit de mate waarin ze gevoelig zijn voor de verschillende krachten. Er zijn vier krachten bekend: de zwaartekracht, de zwakke kracht, de elektromagnetische kracht en de sterke kracht, in volgorde van sterkte. Leptonen zijn ongevoelig voor de sterke kracht en zijn veelal licht, terwijl hadronen wel de sterke kracht voelen en zwaarder zijn.
Vanuit experimenteel oogpunt wordt de kennis die we omtrent deze deeltjes hebben, bepaald door de energie waarmee de deeltjes op elkaar kunnen worden afgeschoten. Hoe hoger de energie (snelheid), hoe dieper de deeltjes in elkaar doordringen. Voor eneregieën die men tot op heden bereikt heeft, ongeveer 1000 Giga elektronvolt (GeV) voor protonen en 100 GeV voor elektronen (één GeV is 109 elektronvolt en een elektronvolt is de energie die een elektron krijgt bij het doorlopen van een potentiaalverschil van een volt), zijn de leptonen en de quarks puntvormig, hun afmeting is kleiner dan ongeveer 10-20m. Het is de sterke kracht die de quarks bijeenhoudt in een hadron (zoals protonen en neutronen), met een diameter van ongeveer 10-15m.
Quarks hebben de opmerkelijke eigenschap dat ze een elektrische lading bezitten, die niet een geheel veelvoud van de lading van het elektron is. Er zijn sinds 1977 vijf soorten quarks bekend; voorspeld werd een zesde die noodzakelijk is voor een consistente theorie. In 1994 werd de ontdekking van dit zesde quark bekend gemaakt. Van deze zes quarks zijn er drie met een lading 1/3 (down, strange en bottom) en drie met een lading -2/3 (up, charm en top) maal de elektronlading (-e). Een vrij quark zou daarom heel makkelijk waar te nemen zijn. Ondanks alle pogingen is zo'n vrij quark niet gezien is. De quarks zitten opgesloten in de hadronen. De krachtvoerende deeltjes van de sterke wisselwerking worden dan ook wel lijmdeeltjes (gluonen) genoemd en Quantum Chromodynamica (QCD) is de theorie die de sterke wisselwerking beschrijft.
Er is een elegante terminologie ontwikkeld om het opsluitingsprincipe wat algemener te formuleren. Voor elektromagnetische wisselwerking tussen twee deeltjes (een elektron en een proton) is het noodzakelijk dat ze een lading bezitten. Krachtvoerende deeltjes (hier de fotonen) kunnen alleen wisselwerken met geladen deeltjes. Zo ook moeten de quarks een soort lading bezitten, waarop de lijmdeeltjes werken. Men klassificeert deze lading door de drie ``hoofdkleuren'' (die bij menging wit geven), op zo'n manier dat de kleurencombinatie ``wit'' met ``neutraal'' correspondeert. Een proton bestaat bijvoorbeeld uit drie quarks (twee up quarks en een down quark - uud), ieder met een andere kleur. Het opsluitingsprincipe kan nu geformuleerd worden door te stellen dat vrije deeltjes geen kleur mogen bekennen. Naast de hadronen die uit drie quarks bestaan (zoals het proton of het neutron, dit worden ook wel baryonen genoemd), zijn er ook hadronen die bestaan uit een quark en een anti-quark (de zogenaamde mesonen, zoals het pion). Een anti-deeltje heeft precies dezelfde massa als het oorspronkelijke deeltje, alleen zijn alle ladingen precies tegengesteld. Zo is een positron het anti-deeltje van een elektron en het heeft een elektrische lading die tegengesteld is aan de lading van het elektron. Evenzo is de elektrische lading van een anti-quark tegengesteld aan die van een quark. Er zijn dus drie anti-quarks met een lading -1/3 en drie met een lading 2/3 maal de elektronlading.
Suggesties voor onderzoek:
- Lees eerst dit artikel voordat je verder gaat.
- Wat is de kleur van het anti-quark dat bij een ``rood'' quark hoort? Waarom is het mengen van kleuren voor een schilder totaal anders dan het mengen van kleuren die je op een wit scherm projecteert. Onderzoek dit zelf door geel en blauw op deze twee manieren te mengen.
- Bewijs dat zolang je er voor zorgt dat je geen kleur bekent, de deeltjes die je vormt uit de quarks en de anti-quarks altijd een heeltallige lading bezitten. Laat in het bijzonder zien dat dit voor de mesonen en de baryonen geldt.
- Probeer te laten zien dat de kortste afstand waarop twee elektronen elkaar kunnen naderen, uitgedrukt in femtometer (=10-15m), gegeven wordt door 1.44/E, waarbij de energie E is gegeven in eenheden van MeV (=106eV).
- Veel meer suggesties voor onderzoek zijn ook te vinden bij de zes verschillende ``paden'' van het particle adventure!
