Keuzecollege Hoge EnergieFysica Katholieke Universiteit ... - EHEF

De Feynmanregels voor de zwakke wisselwerking van quarks gaan hetzelfde als voor de leptonen,
waarbij we er wel op moeten letten dat de electrische lading van quarks anders is dan van de leptonen:
–ie
de uWd koppeling krijgt een factor ------------------------γ µ ( 1 – γ 5 ) , (4.68)
2 2sinθ w
de uZ 0 –ie
u koppeling krijgt een factor --------------------------------γ µ (( 1– 4Q 2 , (4.69)
4sinθ w
cosθ u
sin θ w
) + γ 5 )
w
de dZ 0 –ie
d koppeling krijgt een factor --------------------------------γ µ ((– 1 – 4Q . (4.70)
4sinθ w
cosθ d
sin
2 θ w
) – γ 5 )
w
Overal waar u staat kan ook c of t worden ingevuld voor charm en top quarks die we zo zullen invoeren,
en net zo kan overal waar d staat ook s voor het vreemde quark of b voor het bottom quark
worden ingevuld. Bij de koppeling aan de W moet het paar (u,d) door ofwel (c,s) ofwel (t,b) worden
vervangen.
4.9 De ontdekking van de J/ ψ en charm quarks
Hoewel het charm quark al was voorspeld in 1970 in het GIM model, kwam de ontdekking ervan
toch als een verrassing. Dat kwam vooral door de manier waarop. Vrijwel tegelijkertijd werden bij
een electron-positron botser en in een experiment waarbij een proton bundel op een trefplaatje werd
geschoten. Het proton-trefplaatje experiment vond een scherpe piek in de elektron-positron invariante
massa in de eindproducten van de botsingen. Het elektron-positron experiment vond een
scherpe piek in de totale werkzame doorsnede. Het nieuwe deeltje, de J genoemd door Ting (het proton-trefplaatje
experiment) en de ψ door Richter (het elektron-positron botser experiment) en nu
bekend onder de dubbele voornaam J/ ψ , heeft een relatief lange levensduur (orde 10 – 20 seconde).
De J/ ψ heeft vrijwel geen quantumgetallen ongelijk nul en in het bijzonder wordt de charm verborgen
door de anti-charm. Maar in hadronische vervallen van dit meson worden wel deeltje gemaakt
met één charm of anti-charm quark erin. Deze deeltjes vervallen zwak, via neutrale stroomprocessen
naar deeltjes met s quarks.
Het charm quark wordt in het nederlands ook wel tover genoemd, maar dan moet worden opgepast
met verwarring met het top of t quark.
4.10 De bottom en top quarks
Door het idee van het charm quark dat nodig is om het zwakke doublet van het s quark te completeren
nog een stap door te zetten kunnen we op het idee komen dat het zwakke leptondoublet van
electron en elektron-neutrino samen met het up en down quark doublet één familie vormt. Het charm
en strange doublet vormt dan een familie met het muon en muon-neutrino. Blijft nog over het tau
lepton en bijbehorend neutrino. En inderdaad: ook hier hoort nog een apart quark doublet bij om de
familie compleet te maken. Dit doublet bestaat uit het bottom, b-, quark, dat dezelfde eigenschappen
heeft als het down en strange quark, behalve dat het zwaarder is, ongeveer een kleine 5 GeV. De
andere isospintoestand in dit zwakke doublet is het top quark dat dezelfde eigenschappen heeft als
het up en charm quark, maar zeer veel zwaarder is, namelijk ongeveer 175 GeV.
Het bottom quark is ontdekt bij een experiment op Fermilab (E228) als piek in de invariante massa
van twee muonen bij ongeveer 9.5 GeV. Uit de massa van een pion kunnen we afschatten dat de
bindingsenergie tussen quarks in een meson een bijdrage geeft aan de massa van de orde van 0.1
GeV. Hieruit volgt dat het b quark een massa moet hebben van de orde van 4.7-4.8 GeV.
74 Collegedictaat Hoge Energiefysica