Elementair deeltje

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

Een elementair deeltje is een deeltje dat niet te splitsen valt in andere deeltjes. Volgens de huidige modellen zijn elektronen, neutrino's en quarks elementaire deeltjes, evenals de zwaardere versies van het elektron en het neutrino, de krachtvoerende deeltjes, en hun antideeltjes.

In de natuurkunde wordt een elementair deeltje geacht geen inwendige structuur te hebben, aangezien het niet is samengesteld uit nog kleinere deeltjes. Het is een van de basisdeeltjes van het heelal, waar alle grotere deeltjes van zijn gemaakt. In de moderne theorie van deeltjesfysica, het standaardmodel, zijn quarks, leptonen en 'ijkbosonen' elementaire deeltjes.

In het verleden werden hadronen (mesonen en baryonen zoals het proton en het neutron) en zelfs gehele atomen op zeker moment beschouwd als elementaire deeltjes. Een centraal thema in de elementairedeeltjestheorie is het vroeg-20e-eeuwse idee van kwanta, dat het begrip van elektromagnetische straling hervormde en de kwantummechanica voortbracht.

Elementaire deeltjes kunnen in het algemeen niet in stilstaande toestand afzonderlijk waargenomen worden. Alleen bij snelheden dicht onder de lichtsnelheid kunnen zij waargenomen worden in een bellenvat, hetzij als radioactieve straling of als kosmische straling, hetzij kunstmatig versneld in een deeltjesversneller. Door bestudering van hun banen, al of niet afgebogen in een magnetisch veld (alleen elektrisch geladen deeltjes) en onderlinge botsingen, waarbij nieuwe deeltjes ontstaan, kunnen hun eigenschappen bestudeerd worden.

Overzicht[bewerken]

Alle elementaire deeltjes zijn bosonen of fermionen. Deeltjes met halftallige spin zijn fermionen, en deeltjes met heeltallige spin zijn bosonen. De twaalf fermionen worden in het algemeen met materie geassocieerd en de bosonen met de fundamentele krachten.[1]

Standaardmodel van de deeltjesfysica

De elementaire deeltjes uit het standaardmodel zijn:

Quarksup, down, strange, charm, bottom, top
Leptonenelektron, muon, tau, elektron-neutrino, muon-neutrino, tau-neutrino
IJkbosonen – gluon, W- en Z-boson, foton en, graviton
Andere bosonen — higgsboson

Het standaardmodel[bewerken]

Nuvola single chevron right.svg Zie Standaardmodel voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Het standaardmodel van de deeltjesfysica beschrijft 12 fermionen, plus hun bijbehorende antideeltjes, en daarnaast de bosonen die gepaard gaan met de krachten tussen de fermionen, en het gepostuleerde, recent waargenomen higgsboson. In beginsel wordt elke fysische theorie als voorlopig beschouwd en het standaardmodel is in dat opzicht zeker geen uitzondering. Eén onopgelost probleem is dat die onverenigbaar is met de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Het vermoeden is dat er andere elementaire deeltjes zijn die door het standaardmodel niet worden beschreven zoals het graviton of 'sparticles', de supersymmetrische partners van de bekende deeltjes.

Fundamentele fermionen[bewerken]

De 12 fermionen zijn verdeeld in drie 'generaties' van vier deeltjes. Zes van de deeltjes zijn quarks. De resterende zes zijn leptonen, waarvan drie neutrino's zijn en de andere drie een elektrische lading van -1 hebben: het elektron en zijn twee 'neven', het muon en het tau-lepton.

Generaties van deeltjes
Eerste generatie Tweede generatie Derde generatie

Antideeltjes[bewerken]

Voor elk van deze 12 fermionen zijn er ook corresponderende antideeltjes. Het positron e+ komt in de meeste eigenschappen overeen met het elektron, maar heeft een elektrische lading van +1, enz.:

Antideeltjes
Eerste generatie Tweede generatie Derde generatie

Quarks[bewerken]

Quarks en antiquarks zijn nooit individueel aangetoond; een feit dat door de 'kleurbeperking' van de kwantumchromodynamica wordt verklaard. Elk quark draagt een van drie kleurenladingen van de sterke interactie; antiquarks dragen zo ook antikleur.

Kleurgeladen deeltjes hebben met elkaar een wisselwerking via het uitwisselen van gluonen, op dezelfde manier als elektrisch geladen deeltjes fotonen kunnen uitwisselen. Een verschil is dat gluonen zelf die kleurlading bezitten, wat een versterking van de sterke kernkracht met zich meebrengt, zodra deeltjes met een kleurlading gescheiden worden. In tegenstelling tot de elektromagnetische kracht, die snel kleiner wordt als geladen deeltjes uit elkaar bewegen, wordt de sterke kernkracht juist groter, met als gevolg dat kleurgeladen deeltjes nooit van elkaar kunnen gescheiden kunnen worden.

De kleurgeladen deeltjes kunnen zich wel combineren om kleur-neutrale samengestelde deeltjes te vormen: de hadronen. Zo kan een quark zich combineren met een antiquark. De quark heeft een kleur en de antiquark heeft de corresponderende antikleur. De kleur en antikleur compenseren elkaar en er vormt zich een kleur-neutraal meson. Of drie quarks kunnen naast elkaar bestaan: één quark is 'rood', een ander 'blauw', een ander 'groen'. Deze drie gekleurde quarks vormen samen een kleur-neutraal baryon. Of drie antiquarks kunnen samen bestaan: één antiquark is 'antirood' een andere 'antiblauw' en een 'antigroen'. Deze drie anti-gekleurde antiquarks vormen een kleur-neutraal antibaryon.

Quarks hebben ook niet-gehele kleine elektrische ladingen, maar aangezien zij binnen hadronen voorkomen waarvan ladingen altijd gehele getallen zijn, zijn die niet-gehele ladingen nooit geïsoleerd of gemeten. Zo hebben quarks elektrische ladingen van of + 2/3 of -1/3, terwijl antiquarks overeenkomstige elektrische ladingen van of -2/3 of + 1/3 hebben.

Bewijs voor het bestaan van quarks komt voort uit proeven waarbij elektronen afgevuurd worden op atoomkernen. Hieruit kan de ladingsverdeling binnen nucleonen (die baryonen zijn) bepaald worden. Als de lading gelijkmatig verdeeld zou zijn, zou het elektrische veld rond het proton gelijkmatig moeten zijn en zou het elektron zich na een botsing elastisch moeten laten terugkaatsen. Laagenergetische elektronen verspreiden zich op deze wijze, maar boven een bepaalde energie worden sommige elektronen door protonen onder grote hoeken teruggekaatst. Het terugkaatsende elektron heeft veel minder energie en een 'jet' van deeltjes wordt uitgezonden. Dit niet-elastische terugkaatsen kan alleen verklaard worden, als de lading in het proton niet gelijkmatig is verdeeld, maar onderverdeeld is in kleinere geladen deeltjes: de quarks.

Fundamentele bosonen[bewerken]

In het Standaardmodel zijn het deeltjes met een spinvector (-1), zoals gluonen, fotonen, en W- en Z-bosonen die zorgen voor het uitwisselen van krachten, terwijl het higgsboson (spin-0) de grondslag is van deeltjes die intrinsieke massa hebben.

Gluonen[bewerken]

Gluonen zijn de dragers van de “sterke interactie” en bezitten zowel kleur als antikleur. Hoewel gluonen zonder massa zijn, worden zij nooit waargenomen in detectoren vanwege de kleurenbeperking. Ze kunnen wel “jets” van hadronen produceren net zoals enkele quarks. Het eerste bewijsmateriaal voor gluonen kwam uit vernietiging van elektronen en positronen bij hoge energieën die soms drie producten gaven: een quark, een antiquark, en een gluon.

Elektrozwakke bosonen[bewerken]

Er zijn drie zwakke ijkbosonen: W+, W-, en Z0; deze zorgen voor de zwakke interactie. Het foton zonder massa zorgt voor de elektromagnetische interactie.

Higgsboson[bewerken]

Hoewel de zwakke kernkracht en de elektromagnetische krachten vrij verschillend lijken bij lage energieën, kunnen de twee krachten theoretisch als één 'elektrozwakke' kracht samengebracht worden bij hoge energieën. Deze voorspelling is duidelijk bevestigd door metingen aan elektron-proton-botsingen in de HERA-versneller van DESY. De verschillen bij lage energieën zijn het gevolg van de hoge massa's van W- en Z-bosonen, die weer een gevolg zijn van het higgsmechanisme. Hoewel het higgsmechanisme een geaccepteerd deel van het standaardmodel is geworden, is het higgsboson zelf nog niet waargenomen in detectoren. Het indirecte bewijsmateriaal voor het higgsboson stelt dat de massa onder de 200-250 GeV ligt.[2] Als dit het geval is zullen de experimenten van de Large Hadron Collider dit laatste ontbrekende stuk van het standaardmodel moeten kunnen aantonen.

Voorbij het standaardmodel[bewerken]

Hoewel veel experimenteel bewijsmateriaal de voorspellingen van het Standaard model bevestigen, vinden veel fysici dit model onbevredigend vanwege de vele onbepaalde parameters, het grote aantal fundamentele deeltjes, het nog niet waargenomen higgsboson en theoretische overwegingen, zoals de reeds genoemde onverenigbaarheid met de relativiteitstheorie. Er zijn al theorieën ontwikkeld, zoals de snaartheorie, die beogen deze problemen op te lossen, maar die verkeren nog in een speculatief stadium. De experimentele testbaarheid van deze theorieën laat nog veel te wensen over.

Trivia[bewerken]

Elementaire deeltjes is ook de titel van een roman van de Franse schrijver Michel Houellebecq.

Zie ook[bewerken]

Externe links[bewerken]

Bronnen, noten en/of referenties
  1. Veltman, Martinus (2003) Feiten en mysteries in de deeltjesfysica. World Scientific, ISBN 981-238-149-X
  2. Quark experiment predicts heavier Higgs
Zoek dit woord op in WikiWoordenboek