Subatomair deeltje

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
De deeltjes van het standaardmodel.

Een subatomair deeltje is een deeltje dat kleiner is dan het atoom. Sommige subatomaire deeltjes kunnen deel uitmaken van atomen, andere worden alleen in sterren, in het laboratorium, of in andere buitengewone omstandigheden gevormd. De deeltjes zijn kleiner dan 1 fm (10–15 m). Ze worden bestudeerd door de deeltjesfysica.

Inleiding[bewerken]

We kunnen de subatomaire deeltjes indelen in samengestelde en elementaire deeltjes. Elementaire deeltjes zijn voor zover bekend niet verder op te delen. Een samengesteld deeltje is opgebouwd uit twee of meer elementaire deeltjes.

Ook kunnen we de deeltjes verdelen in bosonen en fermionen. Fermionen (met halftallige spin) zijn de materiedeeltjes waaruit het universum is opgebouwd, bosonen (met heeltallige spin) hebben een tijdelijk bestaan voor het overbrengen van krachten (interacties, wisselwerkingen) tussen de fermionen. Deze twee typen deeltjes gedragen zich verschillend. Bosonen kunnen zich met een ongelimiteerd aantal in een en dezelfde kwantumtoestand bevinden (bijvoorbeeld fotonen: er is geen limiet aan de sterkte van een laserstraal, dat wil zeggen het aantal fotonen waar de straal uit bestaat). Fermionen moeten altijd alleen zijn in hun kwantumtoestand. Het heliumatoom kan slechts twee elektronen bevatten, één met de spin omhoog en één met de spin omlaag. Die eigenschap van fermionen noemt men het uitsluitingsprincipe van Pauli. De energieverdeling van een hoeveelheid bosonen volgt de Bose-Einsteinstatistiek, bij fermionen is dit de Fermi-Diracverdeling.

Hieronder volgt een overzicht van subatomaire deeltjes en hun eigenschappen. Bij bijna alle deeltjes (met uitzondering van de Majorana-deeltjes) moet worden aangetekend dat ook hun antideeltje bestaat, met dezelfde massa en spin, maar met de overige eigenschappen (namelijk de behouden grootheden) precies omgekeerd. Dus het anti-elektron (ook positron genoemd) heeft massa 0,511 MeV, spin ½, maar leptongetal –1 en elektrische lading +1. Materie en antimaterie annihileren elkaar. Onder normale omstandigheden kan antimaterie maar kortstondig bestaan, doordat een antideeltje spoedig in contact zal komen met een normaal deeltje.

Elementaire deeltjes[bewerken]

De elementaire deeltjes zijn de bouwstenen van alle materie. Het zijn de componenten van het standaardmodel van materie en krachten, dat in de jaren 70 in de deeltjesfysica is ontwikkeld om de tot dan toe bekende deeltjes te verklaren. Het model voorspelde nog meer deeltjes, waarvan het merendeel sindsdien ontdekt is. Slechts één elementair deeltje uit het model, het higgsboson, is nog niet met zekerheid aangetoond. Ook het graviton, een boson dat volgens kwantumgravitatie-theorieën de zwaartekracht zou moeten overbrengen, is nog niet waargenomen.

In de loop van de tijd is de mening veranderd over welke deeltjes men beschouwt als elementair. Tot het begin van de twintigste eeuw meende men dat atomen elementaire deeltjes waren, vandaar hun naam, Grieks voor ondeelbaren. In 1911 ontdekte Ernest Rutherford dat het atoom samengesteld was. Dat nucleonen uit quarks bestaan is pas in de jaren 60 door Murray Gell-Mann voorgesteld. Sindsdien worden ook nucleonen niet meer beschouwd als elementaire deeltjes. Hoewel het niet uitgesloten is dat ook een quark uit kleinere deeltjes bestaat, heeft men hiervoor nog geen aanwijzingen gevonden.

Fermionen[bewerken]

De fermionen uit het standaardmodel zijn quarks en leptonen (leptos is Grieks voor 'fijn': fijne deeltjes). Allemaal hebben ze spin ½ (halftallige spin). Ze komen voor in drie zogeheten generaties (groepen). De deeltjes uit de eerste generatie zijn de 'normale', meest voorkomende deeltjes. De overige zijn aanzienlijk zwaarder en ontstaan in hoogenergetische botsingen; zij zijn instabiel en vervallen tot deeltjes van de eerste generatie. Ondanks veel experimenten heeft men niet méér generaties van elementaire fermionen ontdekt.

Elementaire fermionen

Generatie Deeltje Symbool Spin J Lading Q Leptongetal L Baryongetal B Massa (MeV) Vervaltijd (s)
Eerste generatie Quarks up u ½ + 2/3 0 + 1/3 1,5 – 4
down d ½ – 1/3 0 + 1/3 4 – 8
Leptonen elektron e ½ –1 +1 0 0,511 > 1,5 × 1034
elektron-neutrino \nu_e ½ 0 +1 0 < 2,2 × 10–9
Tweede generatie Quarks charm c ½ + 2/3 0 + 1/3 1150 - 1350
strange s ½ – 1/3 0 + 1/3 80 – 130
Leptonen muon μ ½ –1 +1 0 105,7 2,197 × 10–6
muon-neutrino \nu_{\mu} ½ 0 +1 0 < 0,17
Derde generatie Quarks top (truth) t ½ + 2/3 0 + 1/3 172500
bottom (beauty) b ½ – 1/3 0 + 1/3 4100 - 4400
Leptonen tau \tau^- ½ –1 +1 0 1777 2,91 × 10–13
tau-neutrino \nu_{\tau} ½ 0 +1 0 < 15,5

Hier zijn de massa's uitgedrukt in mega-elektronvolt (MeV), de ladingen in de elementaire lading e, en de spin in het elementaire impulsmoment \hbar. Naast de bovengenoemde elektrische lading (Q), leptongetal (L) en baryongetal (B) bestaan er nog meer (gedeeltelijk) behouden grootheden, maar die zijn voor bijna alle deeltjes gelijk aan 0:

  • Charm (C) is +1 voor het c-quark en 0 voor andere deeltjes
  • Strangeness (S) is –1 voor het s-quark en 0 voor andere deeltjes
  • Top is +1 voor het t-quark en 0 voor andere deeltjes
  • Bottom is –1 voor het b-quark en 0 voor andere deeltjes

Bosonen[bewerken]

De wisselwerking tussen de bosonen en de fermionen

De bosonen uit het standaardmodel brengen drie van de vier fundamentele natuurkrachten over: de sterke kernkracht, de zwakke kernkracht en de elektromagnetische kracht. Bij iedere kracht hoort één of meer wisselwerkingsdeeltjes. Zo brengt het foton (lichtdeeltje) de elektromagnetische kracht over; men ziet het foton als een bepaalde energietoestand van het elektromagnetische veld. Zo is het ook met de overige wisselwerkingsbosonen. Het Z-boson en de W-bosonen zijn voorspeld door het standaardmodel en later aangetoond door Simon van der Meer en zijn medewerkers. Het voorspelde higgsboson is verantwoordelijk voor de massa van deeltjes. Het graviton zou de zwaartekracht over moeten brengen maar heeft nog steeds de status "hypothetisch".

Elementaire bosonen

Kracht Deeltje Symbool Spin J Lading Q Massa (GeV)
Elektromagnetische kracht foton \gamma 1 0 0
Sterke kernkracht gluon g 1 0 0
Zwakke kernkracht W-boson (positief) W+ 1 +1 80,4
W-boson (negatief) W 1 –1 80,4
Z-boson Z 1 0 91,2
Overig (standaardmodel) Higgsboson (positief) H+ 0 +1 125,3
Higgsboson (negatief) H 0 –1 125,3
Higgsboson (neutraal) H0 0 0 125,3
Zwaartekracht graviton 2 0 < 7 × 10–41

Naast de hier genoemde zijn er nog allerlei hypothetische bosonen, volgend uit ideeën over supersymmetrie, theorie van alles of andere amendementen op het standaardmodel.

Samengestelde deeltjes: hadronen[bewerken]

De overige subatomaire deeltjes zijn opgebouwd uit twee of meer quarks (en de gluonen die de quarks bij elkaar houden). De sterke kernkracht zorgt dat de quarks niet los kunnen komen uit de deeltjes. We noemen deze deeltjes hadronen (Grieks voor sterk). Een even aantal quarks levert een boson op, een oneven aantal een fermion. De meeste hadronen bestaan geheel uit eerste-generatie (up en down) quarks. Slechts enkele komen in gewone materie voor: protonen, neutronen en pionen. Zwaardere deeltjes ontstaan weer alleen bij kernreacties of als zeer kort durende fluctuaties.

Samengestelde fermionen: baryonen[bewerken]

Een baryon bestaat uit drie quarks

De subatomaire, samengestelde fermionen bestaan uit een oneven aantal (anti-)quarks – in de meeste gevallen drie. Deze zijn aan elkaar gebonden door de sterke kernkracht. We noemen deze deeltjes wel baryonen (Grieks voor zwaar). De twee eenvoudigste baryonen zijn stabiel. Dit zijn het proton (geheel stabiel) en het neutron (vervalt in ongebonden toestand na gemiddeld 886 seconde). De overige baryonen vervallen snel.

Van de talloze mogelijke combinaties zijn er ruim 120 experimenteel onderzocht. Het zijn onder andere aangeslagen toestanden van verbintenissen van drie eerste-generatie-quarks (bijvoorbeeld de verscheidene Delta-baryonen). Andere baryonen bevatten één of meer quarks van de tweede generatie.

Baryonen (per groep)
Deeltje Symbool Quark-opbouw Spin J Lading Q Massa (MeV) Vervaltijd (s)
proton p uud 1/2 +1 938,3 > 6,6 × 1036
neutron n udd 1/2 0 939,6 886
N-baryonen N uud of udd 1/2 – 11/2 0 of +1 1440 – 2600
Delta-baryonen Δ uuu/uud/udd/ddd 1/2 – 11/2 +2/+1/0/–1 1232 – 2420
Lambda-baryonen Λ uds 1/2 – 9/2 0 1116 – 2350
Sigma-baryonen Σ uus/uds/dds 1/2 – 7/2 +1/0/–1 1189 – 2250
Xi-baryonen Ξ uss of dss 1/2 – 5/2 0 of –1 1315 – 2030
Omega-baryonen Ω sss 3/2 –1 1672 – 2250

Waar geen vervaltijd vermeld staat, is deze zeer kort. Naast de hier genoemde groepen zijn nog andere baryonen onderzocht, zoals die met een c-quark of de 'exotische', waarin een anti-quark voorkomt (bijvoorbeeld het Θ+-deeltje, dat bestaat uit uudd en anti-s).

Samengestelde bosonen: mesonen[bewerken]

Een meson bestaat uit twee quarks

De subatomaire, samengestelde bosonen bestaan uit twee quarks: een quark en een anti-quark. Die zijn aan elkaar gebonden door de sterke kernkracht. We noemen deze deeltjes mesonen (Grieks voor midden, dat wil zeggen midden tussen de lichte leptonen en de zware baryonen). Mesonen zijn instabiel en vervallen na korte tijd.

Van de talloze mogelijke combinaties zijn er ruim 135 experimenteel onderzocht. Het zijn onder andere aangeslagen toestanden van eerste-generatie quark/anti-quarkparen (bijvoorbeeld de drie rho-mesonen). Andere mesonen bevatten een of twee (anti-)quarks van de tweede generatie. Een anti-deeltje wordt aangeduid met een streepje, bijvoorbeeld \bar{u}. Gemengde toestanden (kwantummechanische superposities van verschillende toestanden) worden weergegeven als de som of het verschil van zuivere toestanden.

Mesonen (per groep)
Deeltje Symbool Quark-opbouw Spin J Lading Q Massa (MeV) Vervaltijd (s)
pion (positief) π+ u\bar{d} 0 +1 139,6 2,603 × 10–8
pion (negatief) π \bar{u}d 0 –1 139,6 2,603 × 10–8
pion (neutraal) π 0 u\bar{u} - d\bar{d} - s\bar{s} 0 0 135,0 8,4 × 10–17
eta-meson η (u\bar{u}+d\bar{d})+s\bar{s} 0 0 548
rho-mesonen ρ u\bar{d}/(u\bar{u}-d\bar{d})/\bar{u}d 1 +1/0/–1 776
omega-meson ω (u\bar{u}+d\bar{d})+s\bar{s} 1 0 783
Overige lichte mesonen zie π/η 0/1/2/3/4 +1/0/–1 400 – 2340
Kaonen (K-mesonen) K u\bar{s}/d\bar{s}/\bar{d}s/\bar{u}s 0/1/2/3/4 +1/0/–1 494 – 2045
B-mesonen B u\bar{b}/d\bar{b}/s\bar{b}/c\bar{b} 0 +1/0 5279 – 6276
D-mesonen D c\bar{d}/c\bar{u}/\bar{c}u/\bar{c}d 0/1/2 +1/0/–1 1865 – 2459
Ds -mesonen Ds c\bar{s}/\bar{c}s 0/1/2 +1/0/–1 1968 – 2572

Waar geen vervaltijd vermeld staat, is deze zeer kort. Naast de hier genoemde groepen zijn nog andere mesonen onderzocht, zoals die met een b-quark of met c\bar{c}.

Zie ook[bewerken]

Externe link[bewerken]