Subatomair deeltje

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

Inhoud

1 Inleiding
2 Elementaire deeltjes
- 2.1 Fermionen
  - 2.1.1 Elementaire fermionen
- 2.2 Bosonen
  - 2.2.1 Elementaire bosonen
3 Samengestelde deeltjes: hadronen
- 3.1 Samengestelde fermionen: baryonen
- 3.2 Samengestelde bosonen: mesonen
4 Zie ook
5 Externe link

[bewerk] Inleiding

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.

Deze indeling is onzeker. Voorheen meende men dat atomen ondeelbaar waren. Dat waren toen dus elementaire deeltjes. Het is nog niet zo lang geleden dat men vaststelde dat nucleonen uit quarks bestaan. Sindsdien zijn nucleonen geen elementaire deeltjes meer, hoewel het nog niet is gelukt een quark te isoleren. Misschien zal men in de toekomst vaststellen dat een quark ook samengesteld is.

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 waterstofatoom kan slechts twee elektronen bevatten, een met de spin omhoog en een met de spin omlaag). Die eigenschap van fermionen noemt men het uitsluitingsprincipe van Pauli.

Hieronder volgt een overzicht van subatomaire deeltjes en hun eigenschappen. Bij alle 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 verdragen elkaar niet, en onder normale omstandigheden kan antimaterie slechts kortstondig bestaan, doordat een antideeltje spoedig in contact zal komen met een normaal deeltje.

[bewerk] Elementaire deeltjes

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 Higgs-boson, is nog niet experimenteel aangetoond. Ook het graviton, een boson dat volgens kwantumgravitatie-theorieën de zwaartekracht zou moeten overbrengen, is nog niet waargenomen.

[bewerk] Fermionen

De fermionen uit het standaardmodel zijn quarks en leptonen (leptos is Grieks voor 'klein': kleine 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 komen vooral uit kernreacties; zij zijn instabiel en vervallen tot deeltjes van de eerste generatie. Ondanks veel experimenten heeft men niet méér generaties van elementaire fermionen ontdekt.

[bewerk] 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
	Quarks	down	d	½	– 1/3	0	+ 1/3	4 – 8
	Leptonen	elektron	e^–	½	–1	+1	0	0,511	> 1,5 × 10³⁴
	Leptonen	elektronneutrino	$ν e$	½	0	+1	0	< 3 × 10^–9
Tweede generatie	Quarks	charm	c	½	+ 2/3	0	+ 1/3	1150 - 1300
	Quarks	strange	s	½	– 1/3	0	+ 1/3	80 – 130
	Leptonen	muon	μ^–	½	–1	+1	0	105,7	2,197 × 10^–6
	Leptonen	muonneutrino	$ν μ$	½	0	+1	0	< 0,19
Derde generatie	Quarks	top (truth)	t	½	+ 2/3	0	+ 1/3	175 × 10³
	Quarks	bottom (beauty)	b	½	– 1/3	0	+ 1/3	4100 - 4900
	Leptonen	tauon	$τ -$	½	–1	+1	0	1777	2,91 × 10^–13
	Leptonen	tauonneutrino	$ν τ$	½	0	+1	0	< 18,2

Hier zijn de massa's uitgedrukt in mega-elektronvolt (MeV), de ladingen in de elementaire lading e, en de spin in het elementaire impulsmoment $\hbar$ . Er bestaan nog meer behouden grootheden naast de hier genoemde elektrische lading (Q), leptongetal (L) en baryongetal (B), 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

[bewerk] Bosonen

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 een 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 Higgs-boson is verantwoordelijk voor de massa van deeltjes. Het graviton zou de zwaartekracht over moeten brengen maar heeft nog steeds de status "hypothetisch". l

[bewerk] Elementaire bosonen

Kracht	Deeltje	Symbool	Spin J	Lading Q	Massa (GeV)
Elektromagnetische kracht	foton	$γ$	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)	Higgs-boson (positief)	H⁺	0	+1	> 79,3
	Higgs-boson (negatief)	H^–	0	–1	> 79,3
	Higgs-boson (neutraal)	H⁰	0	0	> 114,4
Zwaartekracht	graviton	–	2	0	< 7 × 10^–41

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

[bewerk] Samengestelde deeltjes: hadronen

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 wel 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.

[bewerk] Samengestelde fermionen: baryonen

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 redelijk 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 een 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).

[bewerk] Samengestelde bosonen: mesonen

De subatomaire, samengestelde bosonen bestaan uit twee quarks: een quark en een anti-quark. Deze zijn aan elkaar gebonden door de sterke kernkracht. We noemen deze deeltjes wel 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	$u\bar{u} - d\bar{d}$	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
D-mesonen	D	$c\bar{d}/c\bar{u}/\bar{c}u/\bar{c}d$	0/1/2	+1/0/–1	1865 – 2459
D_s -mesonen	D_s	$c\bar{s}/\bar{c}s$	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 $c\bar{c}$ .

[bewerk] Zie ook

[bewerk] Externe link

Particle Data Group (recente gegevens van subatomaire deeltjes)

Fysische deeltjes
Subatomair deeltje - Nucleon - Atoomkern - Atoom - Ion - Molecuul
Bosonen:	Foton - Gluon - W-boson - Z-boson - Higgs-boson - Graviton - Pion - Meson
Fermionen:	Quark - Lepton - Neutrino - Elektron - Positron - Muon - Tauon - Proton - Neutron - Baryon

Categorieën: Deeltje | Kernfysica | Natuurkundelijsten