Standaardmodel van de deeltjesfysica

De deeltjes van het standaardmodel

Het standaardmodel van de deeltjesfysica is een theorie uit de deeltjesfysica waarin de krachten en deeltjes die alle materie vormen, worden beschreven. Experimenten hebben aangetoond dat deze theorie met de kwantummechanica en de speciale relativiteitstheorie in overeenstemming is. Het is echter geen allesbeschrijvende theorie van fundamentele interacties, hoofdzakelijk omdat het de zwaartekracht buiten beschouwing laat. In de jaren '70 is het standaardmodel opgezet en men heeft hiermee veelvuldig de uitkomst van experimenten succesvol kunnen voorspellen. Vandaag is het standaardmodel een breed aanvaarde theorie die in veel gebieden toepasbaar is. Het standaardmodel voorspelde tot voor kort dat neutrino's massaloos zijn. De ontdekking van neutrino-oscillaties (het fenomeen waarbij neutrino's van de ene generatie in de ander omgezet worden) vereist echter dat deze een massa hebben.

Materiedeeltjes en krachtvoerende deeltjes

Wisselwerking tussen de deeltjes

Alle delen van het atoom bestaan uit fundamentele materiedeeltjes en krachtvoerende deeltjes. Materiedeeltjes hebben een halftallige spin, voldoen dus aan de Fermi-Diracverdeling en heten daarom fermionen. Ze zijn te onderscheiden in leptonen en de uit quarks opgebouwde hadronen. Alleen elektron en up- en down-quark zijn stabiel; dit zijn de bouwstenen van atomen. De overige, zware fermionen vervallen binnen enkele microseconden.

De krachtvoerende deeltjes hebben een gehele spin, voldoen dus aan de Bose-Einsteinstatistiek en heten daarom (intermediaire vector) bosonen. Ze zijn de overbrengers van de vier fundamentele natuurkrachten. De zwaartekracht met het voorspelde maar nog niet aangetoonde graviton en het voorspelde en mogelijk in 2012 experimenteel gevonden Higgsboson vallen voorlopig buiten het standaardmodel.

Er zijn ongeveer 200 subatomaire deeltjes bekend. Die worden aangeduid met een letter uit het Latijnse of Griekse alfabet, aangevuld met een andere letter, '+', '-', '0', '/' of een streep. Een vereenvoudigd overzicht zou er als volgt uit kunnen zien:

• Subatomair deeltje
  • Elementair deeltje
    • fermion
      • lepton (bv elektron en muon en tau en neutrino's en hun antideeltjes dus 3 + 3 + 3 + 3 = 12
      • quark (namelijk up, down, strange, charm, bottom en top en hun antideeltjes, dus 6 + 6 = 12
    • boson (bv foton en gluon)
  • hadron
    • baryon (bv proton en neutron) bestaande uit 3 quarks, dus fermion
    • meson (bv pion en kaon) bestaande uit 2 quarks, dus boson

Leptonen en quarks kunnen in drie generaties voorkomen. Zichtbare materie in het heelal bestaat vrijwel uitsluitend uit deeltjes van de eerste generatie: up- en down-quarks en elektronen. Deeltjes van de tweede en derde generatie zijn instabiel: ze vervallen in een fractie van een seconde in deeltjes van de eerste generatie, maar kunnen wel gegenereerd worden door botsingen van (hoogenergetische) deeltjes van de eerste generatie.

Soort		Eerste generatie			Tweede generatie			Derde generatie
Soort baryon	Lading (e)	Deeltje	Symbool	Massa (GeV)	Deeltje	Symbool	Massa (GeV)	Deeltje	Symbool	Massa (GeV)
Quarks	$+2/3$	Up	$u$	$0,003$	Charm	$c$	$1,3$	Top (truth)	$t$	$174$
	$-1/3$	Down	$d$	$0,006$	Strange	$s$	$0,14$	Bottom (beauty)	$b$	$4,3$
Leptonen	$-1$	Elektron	$e^{-}$	$0,00051$	Muon	$\mu ^{-}$	$0,106$	Tau	$\tau ^{-}$	$1,784$
	$0$	Elektron-neutrino	$\nu _{e}$	$<15\times 10^{-8}$	Muon-neutrino	$\nu _{\mu }$	$<2,5\times 10^{-4}$	Tau-neutrino	$\nu _{\tau }$	$<3,5\times 10^{-2}$

Kwantumvelden

De deeltjes van het standaardmodel zijn geen deeltjes uit de klassieke mechanica maar kwantumdeeltjes, of beter: kwantumvelden. Elektronen zijn wel deeltjes met massa en lading, maar in een atoom beschrijven ze geen banen volgens de klassieke wetten van Newton en Coulomb. Kwantumdeeltjes beschrijven geen banen; het zijn velden met massa en lading waarvoor relativistische kwantumtheorie ontwikkeld wordt, een combinatie van elektromagnetisme en speciale relativiteitstheorie met 'oude' kwantummechanica. Het standaardmodel is vooral een kwantumveldentheorie waarin deeltjes en hun wisselwerking bescheven worden door wiskundige formules (Lagrangianen) met een zeer compacte complexe notatie.

Het algemeen geaccepteerde en toegepaste deel van deze theorie is Kwantumelektrodynamica (QED) dat fotonen, elektronen en stabiele ongedeelde atoomkernen beschrijft en zo de basis vormt van de chemie en materiaalfysica. Recenter zijn Kwantumchromodynamica (QCD) en Elektrozwakke wisselwerking om atoomkerndelen (gluonen, W en Z bosonen, quarks) en neutrino's in de theorie te betrekken om zo ook de eigenschappen van de vele instabiele deeltjes te verklaren die grote deeltjesversnellers produceren. Maar in de bekende Course of Theoretical Physics van Landau en Lifshitz zijn deze delen van het model nog niet opgenomen.

Zie ook de lijst van elementaire deeltjes voor meer eigenschappen van de deeltjes uit het standaardmodel.

Externe links

• (nl) First Encounter - Een Nederlandse introductie
• (en) Particle Chart - een kaart met een overzicht van de deeltjes en interacties in het standaardmodel
• (en) Particle Adventure - Een zeer duidelijke en leerzame site over elementaire deeltjes.

Bronnen, noten en/of referenties