In de onderstaande afbeelding kun je de paddestoelwolk zien van de Ivy Mike-explosie in 1952, de eerste fusiebom die ooit tot ontploffing is gebracht. Tijdens het proces van fusie en splitsing van kernen komt kolossale energie vrij, waardoor we vandaag beangstigend bang zijn voor kernwapens. Onlangs werd bekend dat natuurkundigen een nog energetisch krachtigere subatomaire reactie hebben ontdekt dan thermonucleaire fusie, die plaatsvindt op de schaal van quarks. Gelukkig lijkt ze niet bijzonder geschikt voor het maken van wapens.
Toen een paar natuurkundigen de ontdekking van een krachtig subatomair proces aankondigden, werd bekend dat wetenschappers de ontdekking wilden classificeren, omdat het te gevaarlijk zou kunnen zijn voor het publiek.
Is er een explosie geweest? Wetenschappers hebben aangetoond dat twee minuscule deeltjes die bekend staan als down-quarks theoretisch samen zouden kunnen vloeien in een krachtige uitbarsting. Het resultaat: een groot subatomair deeltje dat bekend staat als een nucleon en een hoop energie die uit het universum spat. Deze "quarkexplosie" zou een nog krachtiger subatomair analoog kunnen worden van thermonucleaire reacties die plaatsvinden in de kernen van waterstofbommen.
Quarks zijn kleine deeltjes die aan elkaar kleven om neutronen en protonen in atomen te vormen. Ze zijn er in zes versies, of "smaken": boven, onder, gecharmeerd, vreemd, bovenste (waar) en onderste (schattig).
Energiegebeurtenissen op subatomair niveau worden gemeten in mega-elektronvolt (MeV), en wanneer de twee laagste quarks samenkomen, hebben natuurkundigen ontdekt dat ze maar liefst 138 MeV uitzenden. Dit is ongeveer acht keer sterker dan de enkele kernfusie die plaatsvindt in waterstofbommen (een bomexplosie op ware grootte bestaat uit miljarden soortgelijke gebeurtenissen). Waterstofbommen versmelten minuscule waterstofkernen - deuterium en tritium - om heliumkernen en een krachtige explosie te vormen. Maar elk van de individuele reacties in zo'n bom geeft slechts 18 MeV vrij, volgens het Nuclear Weapon Archive. Dit is veel minder dan bij de fusie van de laagste quarks - 138 MeV.
"Ik moet toegeven dat toen ik me voor het eerst realiseerde dat een dergelijke reactie mogelijk was, ik bang werd", zegt een van de wetenschappers, Marek Karliner van de Tel Aviv Universiteit in Israël. "Gelukkig viel het allemaal niet zo erg."
Met alle kracht van fusiereacties is een enkele reactie niet zo gevaarlijk. Waterstofbommen halen hun angstaanjagende kracht uit kettingreacties - de trapsgewijze fusie van vele kernen tegelijk.
Promotie video:
Carliner en Jonathan Rosner van de Universiteit van Chicago stelden vast dat een dergelijke kettingreactie niet mogelijk zou zijn met schattige quarks, en vóór publicatie deelden ze hun zorgen met collega's die het met hun conclusie eens waren.
"Als ik een microseconde zou nadenken over het militaire gebruik van een dergelijk proces, zou ik er niet over schrijven", zegt Carliner.
Om een kettingreactie op gang te brengen, hebben makers van kernbommen een indrukwekkende voorraad deeltjes nodig. Een belangrijke eigenschap van mooie quarks is dat ze niet in aandelen kunnen worden verzameld: ze houden op te bestaan na één picoseconde na de schepping, en gedurende deze tijd kan licht slechts de helft van de lengte van een zoutkorrel afleggen. Na die tijd vervalt de mooie quark tot een meer algemeen en minder energetisch type subatomair deeltje - de up-quark.
Het is mogelijk om aparte fusiereacties van mooie quarks te creëren in een kilometerlange buis van een deeltjesversneller, zeggen de wetenschappers. Maar zelfs in het gaspedaal is het onmogelijk om een massa quarks te verzamelen die groot genoeg is om de wereld schade toe te brengen. Daarom hoeft u zich nergens zorgen over te maken.
De ontdekking zelf is ongelooflijk omdat het het eerste theoretische bewijs was dat subatomaire deeltjes kunnen worden gesynthetiseerd door het vrijkomen van energie, zegt Carliner. Dit is een volledig nieuw terrein in de fysica van de kleinste deeltjes, dat werd geopend dankzij een experiment bij de Large Hadron Collider op CERN.
Dit is hoe natuurkundigen tot deze ontdekking kwamen.
Bij CERN reizen deeltjes met de snelheid van het licht rond een ring van 27 kilometer onder de grond en botsen dan. Wetenschappers gebruiken vervolgens krachtige computers om de gegevens van deze botsingen te doorzoeken, en soms verschijnen er vreemde deeltjes in die gegevens. In juni toonden de gegevens bijvoorbeeld een "dubbel gecharmeerde" baryon, of een omvangrijke neef van het neutron en proton, bestaande uit twee neven van de "mooie" en "up" quarks - de "gecharmeerde" quarks.
Charmed-quarks zijn erg zwaar in vergelijking met de meer gebruikelijke up en down-quarks die protonen en neutronen vormen. En wanneer zware deeltjes aan elkaar binden, zetten ze een groot deel van hun massa om in bindingsenergie, en laten ze in sommige gevallen energie achter die in het universum ontsnapt.
Carliner en Rosner ontdekten dat wanneer twee gecharmeerde quarks samensmelten, de deeltjes binden met energieën in de orde van grootte van 130 MeV en 12 MeV van de resterende energie uitstoten. Deze fusie van gecharmeerde quarks was de eerste deeltjesreactie van deze omvang waarbij energie vrijkwam. Ze werd de hoofdscriptie van een nieuwe studie die op 1 november in het tijdschrift Nature werd gepubliceerd.
De nog energiekere fusie van twee mooie quarks, die binden aan 280 MeV en 138 MeV uitwerpen wanneer ze samenkomen, is de tweede en krachtigere van de twee gevonden reacties. Terwijl ze theoretisch en onbewezen blijven onder experimentele omstandigheden. De volgende stap volgt binnenkort. Carliner hoopt dat de eerste experimenten die deze reactie aantonen, de komende jaren zullen worden uitgevoerd bij CERN.
Ilya Khel
