Elementair deeltje

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-20ste-eeuwse idee van quanta, dat het begrip van elektromagnetische straling hervormde en de kwantummechanica voortbracht.

Inhoud

1 Overzicht
2 Het standaardmodel
3 Fundamentele fermionen
- 3.1 Antideeltjes
- 3.2 Quarks
4 Fundamentele bosonen
5 Voorbij het standaardmodel
6 Referenties
7 Zie ook
8 Externe links
9 Trivia

[bewerk] Overzicht

Alle elementaire deeltjes zijn bosonen of fermionen. Hun spin-eigenschappen bepalen of ze tot de ene of de andere groep behoren. In deze indeling zijn de twaalf deeltjes die met materie geassocieerd worden en een halftallige spin hebben fermionen. De deeltjes die geassocieerd worden met de fundamentele krachten zijn bosonen, en die hebben een heeltallige spin. ^[1]

De elementaire deeltjes uit het standaardmodel zijn:

Fermionen:

Quarks — up, down, strange, charm, bottom, top

Leptonen — elektron, muon, tauon, elektronneutrino, muonneutrino, tau-neutrino

Bosonen:

IJkbosonen – gluon, W- en Z-bosonen, foton

Andere bosonen — Higgs-boson, graviton

[bewerk] Het standaardmodel

Het standaardmodel van de deeltjesfysica beschrijft 12 fermionen, plus hun bijbehorende antideeltjes, en daarnaast de bosonen die gepaard gaan met de krachten tussen de ferminen, en het nog onontdekte Higgs-boson. In het algemeen wordt het standaardmodel als een voorlopige theorie beschouwd, en niet als echt fundamenteel. Eén probleem is dat het fundamenteel 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.

[bewerk] Fundamentele fermionen

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 of tauon.

**Generaties van deeltjes**
Eerste generatie elektron: e⁻ elektron-neutrino: ν_e up quark: u down quark: d	Tweede generatie muon: μ⁻ muon-neutrino: ν_μ charm quark: c strange quark: s	Derde generatie tauon: τ⁻ tau-neutrino: ν_τ top quark: t bottom quark: b

[bewerk] Antideeltjes

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 positron: e⁺ elektron-antineutrino: $\bar{\nu}_e$ up antiquark: $\bar{u}$ down antiquark: $\bar{d}$	Tweede generatie positief muon: μ⁺ muon-antineutrino: $\bar{\nu}_\mu$ charm antiquark: $\bar{c}$ strange antiquark: $\bar{s}$	Derde generatie positief tau lepton: τ⁺ tau-antineutrino: $\bar{\nu}_\tau$ top antiquark: $\bar{t}$ bottom antiquark: $\bar{b}$

[bewerk] Quarks

Quarks en antiquarks zijn nooit individueel aangetoond, een feit dat door de 'kleurbeperking' wordt verklaard. Elk quark draagt één 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. Het komt er op neer dat kleurgeladen deeltjes nooit van elkaar kunnen scheiden.

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. Laag-energetische 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 in kleinere geladen deeltjes: de quarks.

[bewerk] Fundamentele bosonen

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 Higgs boson (spin-0) de grondslag is van deeltjes die intrinsieke massa hebben.

[bewerk] Gluonen

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 positonen bij hoge energieën die soms drie producten gaven: een quark, een antiquark, en een gluon.

[bewerk] Elektrozwakke bosonen

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

[bewerk] Higgs-boson

Hoewel de zwakke kernkracht en de elektromagnetische krachten voor ons 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 Higgs-mechanisme. Hoewel het Higgs-mechanisme een geaccepteerd deel van het standaardmodel is geworden, is het Higgs-boson zelf nog niet waargenomen in detectoren. Het indirecte bewijsmateriaal voor het Higgs-boson 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.

[bewerk] Voorbij het standaardmodel

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 Higgs boson en andere theoretische overwegingen. Er is een aantal speculatieve theorieën voorbij het Standaardmodel die proberen om deze deficiënties te rectificeren.

[bewerk] Referenties

↑ Veltman, Martinus (2003) Feiten en mysteries in de deeltjesfysica. World Scientific, ISBN 981-238-149-X
↑ Quark experiment predicts heavier Higgs

[bewerk] Zie ook

Subatomair deeltje
Deeltjesfysica
Standaardmodel van de elementaire deeltjes

[bewerk] Externe links

Greene, Brian, "Elementary particles". The Elegant Universe, NOVA (PBS)
particleadventure.org: The Standard Model, *Unsolved Mysteries. Beyond The Standard Model, *What is the World Made of? The Naming of Quarks
particleadventure.org: Particle chart
University of California: Particle Data Group
CERNCourier: Season of Higgs and melodrama
Pentaquark information page

[bewerk] Trivia

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

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 | Kwantumfysica