Elementair deeltje
In de fysica is een elementair of fundamenteel deeltje een deeltje dat niet uit andere deeltjes bestaat.
Een elementair deeltje kan een van de twee groepen zijn: een fermion of een boson. Fermionen zijn de bouwstenen van materie en hebben massa, terwijl bosonen zich gedragen als krachtdragers voor fermion interacties en sommige van hen geen massa hebben. Het Standaard Model is de meest geaccepteerde manier om te verklaren hoe deeltjes zich gedragen, en de krachten die hen beïnvloeden. Volgens dit model zijn de elementaire deeltjes verder gegroepeerd in quarks, leptonen, en peilbussen, waarbij het Higgs-boson een speciale status heeft als een niet-peil-boson.
Van de deeltjes die een atoom vormen, is alleen het elektron een elementair deeltje. Protonen en neutronen zijn elk gemaakt van 3 quarks, waardoor ze samengestelde deeltjes zijn, deeltjes die gemaakt zijn van andere deeltjes. De quarks worden door de gluonen aan elkaar gebonden. De kern heeft boson pioniersvelden die verantwoordelijk zijn voor de sterke kernkracht die protonen en neutronen bindt tegen de elektrostatische afstoting tussen de protonen. Zulke virtuele pionen zijn samengesteld uit quarkantiekpaartjes die weer bij elkaar worden gehouden door gluonen.
Er zijn drie basiseigenschappen die een elementair deeltje beschrijven: Massa', 'lading', en 'spin'. Aan elke eigenschap wordt een getalwaarde toegekend. Voor massa en lading kan het getal nul zijn. Een foton heeft bijvoorbeeld nul massa en een neutrino heeft nul lading. Deze eigenschappen blijven altijd hetzelfde voor een elementair deeltje.
- Massa: Een deeltje heeft massa als het energie nodig heeft om zijn snelheid te verhogen, of om het te versnellen. De tabel rechts geeft de massa van elk elementair deeltje. De waarden worden gegeven in MeV/c2s (dat is uitgesproken megaelektronvolts over "c" kwadraat), dat wil zeggen in eenheden van energie over de snelheid van het licht kwadraat. Dit komt door een speciale relativiteit, die ons vertelt dat energie gelijk is aan massa maal het kwadraat van de lichtsnelheid. Alle deeltjes met massaproduceerbare zwaartekracht. Alle deeltjes worden beïnvloed door de zwaartekracht, zelfs deeltjes zonder massa zoals het foton (zie algemene relativiteit).
- Elektrische lading: Deeltjes kunnen positief geladen zijn, of negatief, of geen. Als één deeltje een negatieve lading heeft, en een ander deeltje een positieve lading, worden de twee deeltjes naar elkaar aangetrokken. Als de twee deeltjes allebei een negatieve lading hebben, of allebei een positieve lading, worden de twee deeltjes uit elkaar geduwd. Op korte afstanden is deze kracht veel sterker dan de zwaartekracht die alle deeltjes naar elkaar toe trekt. Een elektron heeft lading -1. Een proton heeft lading +1. Een neutron heeft een gemiddelde lading 0. Normale quarks hebben lading van ⅔ of -⅓.
- Spin: Het hoekmoment of de constante draaiing van een deeltje heeft een bepaalde waarde, die het spinnummer wordt genoemd. Spin voor elementaire deeltjes is een of ½. De spineigenschap van deeltjes geeft alleen de aanwezigheid van impulsmoment aan. In werkelijkheid draaien de deeltjes niet.
Massa en lading zijn eigenschappen die we in het dagelijks leven zien, omdat zwaartekracht en elektriciteit invloed hebben op dingen die mensen zien en aanraken. Maar spin heeft alleen invloed op de wereld van de subatomaire deeltjes, dus kan het niet direct worden waargenomen.
Standaardmodel van elementaire deeltjes. 1 GeV/c2 = 1.783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1.783x10-30 kg.
Fermions
Fermionen (genoemd naar de wetenschapper Enrico Fermi) hebben een spinnummer van ½, en zijn ofwel quarks ofwel leptons. Er zijn 12 verschillende soorten fermionen (antimaterie niet inbegrepen). Elk type wordt een "smaak" genoemd. De smaken zijn:
- Quarks: omhoog, omlaag, charme, vreemd, boven, onder. Quarks komen in drie paren, genaamd "generaties". De 1e generatie (boven en onder) is het lichtst en de derde (boven en onder) is het zwaarst. Een lid van elk paar (up, charme en top) heeft een lading van ⅔. Het andere lid (beneden, vreemd en onder) heeft een lading -⅓.
- Leptonen: elektron, muon, tau, elektron neutrino, muon neutrino, tau neutrino. De neutrino's hebben lading 0, vandaar het neutr-voorvoegsel. De andere leptonen hebben lading -1. Elk neutrino is genoemd naar het overeenkomstige originele lepton: het elektron, muon en tauon.
Zes van de 12 fermionen zouden eeuwig meegaan: op en neer quarks, het elektron, en de drie soorten neutrino's (die constant van smaak veranderen). De andere fermionen vergaan. Dat wil zeggen dat ze een fractie van een seconde na hun ontstaan in andere deeltjes uiteenvallen. Fermi-Dirac statistieken is een theorie die beschrijft hoe verzamelingen van fermionen zich gedragen. In wezen kun je niet meer dan één fermion op dezelfde plaats tegelijk hebben.
Bosons
Bosonen, genoemd naar de Indiase natuurkundige Satyendra Nath Bose, hebben spin 1. Hoewel de meeste bosonen uit meer dan één deeltje bestaan, zijn er twee soorten elementaire bosonen:
- Meetboezons: gluonen, W+en W-boezons, Z0-boezons en fotonen. Deze bosonen dragen 3 van de 4 fundamentele krachten, en hebben een spinnummer van 1;
- Gluon: Lijmen zijn massaloze en chargeloze deeltjes, en ze zijn de dragers van de sterke kracht-interactie. Zij, samen met quarks, voegen zich samen om samengestelde deeltjes te maken die hadronen worden genoemd, waaronder protonen en neutronen.
- W en Z bosonen: W- en Z-bosonen zijn deeltjes die de zwakke kracht dragen. Het W-boson heeft een materiedeeltje (W+) en een antimateriedeeltje (W-), terwijl het Z-boson zijn eigen anti-deeltje is. Het W-boson wordt geproduceerd in bètaverval, maar verandert vrijwel onmiddellijk in een neutrino en een elektron. De W- en Z-bosonen werden allebei ontdekt in 1983.
- Foton: Fotonen zijn massaloze en chargelless deeltjes die de elektromagnetische kracht dragen. Fotonen kunnen een bepaalde frequentie hebben die bepaalt welke elektromagnetische straling ze zijn. Net als alle andere massaloze deeltjes reizen ze met de snelheid van het licht (300.000 km/s).
- Higgs boson: Fysici geloven dat massale deeltjes massa hebben (dat wil zeggen, het zijn geen zuivere energiebundels zoals fotonen) vanwege de Higgs-interactie.
Het foton en de gluonen hebben geen lading, en zijn de enige elementaire deeltjes die met zekerheid een massa van 0 hebben. Het foton is het enige boson dat niet vergaat. De Bose-Einstein-statistiek is een theorie die beschrijft hoe verzamelingen van bosonen zich gedragen. In tegenstelling tot fermionen is het mogelijk om meer dan één boson in dezelfde ruimte tegelijk te hebben.
Het standaardmodel omvat alle hierboven beschreven elementaire deeltjes. Al deze deeltjes zijn in het laboratorium geobserveerd.
Het standaardmodel heeft het niet over de zwaartekracht. Als de zwaartekracht werkt zoals de drie andere fundamentele krachten, dan wordt de zwaartekracht gedragen door het hypothetische boson dat het graviton heet. Het graviton is nog niet gevonden, dus staat het niet in bovenstaande tabel.
Het eerste fermion dat ontdekt wordt, en degene waar we het meest van weten, is het elektron. Het eerste boson dat ontdekt wordt, en ook degene waar we het meest van weten, is het foton. De theorie die het meest nauwkeurig verklaart hoe het elektron, het foton, het elektromagnetisme en de elektromagnetische straling allemaal samenwerken, wordt kwantumelektrodynamica genoemd.
Vragen en antwoorden
V: Wat zijn elementaire deeltjes?
A: Elementaire deeltjes zijn deeltjes die niet uit andere deeltjes bestaan.
V: Tot hoeveel groepen behoren elementaire deeltjes?
A: Elementaire deeltjes kunnen tot twee groepen behoren, fermionen of bosonen.
V: Wat is het Standaardmodel?
A: Het Standaardmodel is de meest geaccepteerde manier om te verklaren hoe deeltjes zich gedragen en welke krachten hen beïnvloeden.
V: Hoe worden elementaire deeltjes volgens het Standaardmodel gegroepeerd?
A: Volgens het Standaard Model worden elementaire deeltjes verder gegroepeerd in quarks, leptonen en ijkbosonen, waarbij het Higgs-boson een speciale status heeft als niet-gijkboson.
V: Worden protonen en neutronen beschouwd als elementaire deeltjes?
A: Nee, protonen en neutronen worden niet beschouwd als elementaire deeltjes, omdat zij elk bestaan uit 3 quarks, waardoor zij samengestelde deeltjes zijn - wat betekent dat zij zijn opgebouwd uit andere, kleinere deeltjes.
V: Welke eigenschappen beschrijven een elementair deeltje?
A: Er zijn drie basiseigenschappen die een elementair deeltje beschrijven - massa, lading en spin - aan elke eigenschap wordt een getalwaarde toegekend.
V: Heeft de zwaartekracht invloed op alle soorten deeltjes, zelfs op die zonder massa, zoals fotonen?
A: Ja, alle soorten deeltjes, ook die zonder massa zoals fotonen, ondervinden zwaartekracht als gevolg van algemene relativiteit.
