In de fysica is een elementair of fundamenteel deeltje een deeltje dat niet uit andere deeltjes bestaat.

Fermionen en bosonen

Elementaire deeltjes worden grofweg in twee groepen ingedeeld: fermionen en bosonen. Fermionen vormen de bouwstenen van gewone materie. Voorbeelden zijn elektronen en quarks; fermionen volgen het Pauli-uitsluitingsprincipe, waardoor geen twee identieke fermionen in dezelfde kwantumtoestand kunnen zitten. Bosonen gedragen zich anders: zij kunnen samen in dezelfde toestand voorkomen en treden vaak op als dragers van krachten tussen fermionen, zoals het foton bij elektromagnetische interacties.

Het Standaardmodel en de groepering van de deeltjes

Het Standaard Model is het huidige, algemeen aanvaarde raamwerk dat beschrijft welke elementaire deeltjes er zijn en hoe ze met elkaar wisselwerken via drie van de vier bekende fundamentele krachten (elektromagnetisme, sterke en zwakke kernkracht). Volgens dit model behoren de elementaire deeltjes tot drie hoofdgroepen: quarks, leptonen en bosonen. Het Higgs-boson heeft een speciale plaats: het is een scalaardeeltje dat het mechanisme levert waardoor andere deeltjes massa kunnen krijgen.

Voorbeelden: atoomdeeltjes en kernen

Van de deeltjes die een atoom vormen, is alleen het elektron een elementair deeltje. Protonen en neutronen zijn geen elementaire deeltjes: elk van hen bestaat uit drie quarks en valt daarmee in de categorie samengestelde deeltjes. De quarks binnen protonen en neutronen worden aan elkaar gebonden door gluonen, de dragers van de sterke wisselwerking. Binnen atoomkernen bestaat daarnaast een restkracht (de residuele sterke kracht) die protonen en neutronen bijeenhoudt; deze wordt vaak efficiënt beschreven door het uitwisselen van virtuele pionen, die zelf samengesteld zijn uit quark‑antiquarkparen die weer door gluonen bij elkaar gehouden worden.

Kort overzicht van belangrijke eigenschappen

Elk elementair deeltje wordt beschreven door enkele basisgrootheden. Drie belangrijke eigenschappen zijn massa, elektrische lading en spin. Deze eigenschappen hebben vaste waarden voor een gegeven deeltje (binnen de meetonnauwkeurigheid).

  • Massa: Een deeltje heeft massa als energie nodig is om zijn snelheid te veranderen of te versnellen. In de deeltjesfysica wordt massa vaak uitgedrukt in eenheden van energie, zoals MeV/c2s (megaelektronvolts gedeeld door c²). Dit volgt uit de speciale relativiteitstheorie, die energie en massa verbindt via E = mc². De meeste deeltjes in het Standaardmodel hebben niet‑nul massa; het foton wordt binnen de huidige experimentele grenzen als massaloos beschouwd. Alle deeltjes worden echter gekromd door zwaartekracht: ook massaloze deeltjes zoals fotonen volgen gebogen paden in een zwaartekrachtsveld (zie algemene relativiteit).
  • Elektrische lading: De elektrische lading bepaalt hoe een deeltje reageert op elektromagnetische krachten. Lading kan positief, negatief of neutraal zijn. Tegenovergestelde ladingen trekken elkaar aan; gelijke ladingen stoten elkaar af. Op korte afstanden is de elektromagnetische kracht veel sterker dan de zwaartekracht. Een elektron heeft lading −1 (in natuurlijke eenheden), een proton heeft lading +1, en een neutron is gemiddeld neutraal (lading 0). Quarks dragen fractionele ladingen van +⅔ of −⅓.
  • Spin: Spin is een intrinsieke vorm van hoekmomentum of 'draai'-eigenschap van een deeltje. Spinwaarden voor elementaire deeltjes zijn ofwel halftallig (bijvoorbeeld ½, zoals bij elektronen en quarks) of heel getallig (bijvoorbeeld 1, zoals bij fotonen en gluonen). Fermionen hebben half­tallig spin; bosonen hebben heel­tallig spin. Spin is geen letterlijk draaien van het deeltje in de klassieke zin, maar een kwantumeigenschap die belangrijk is voor het gedrag en de symmetrieën van deeltjes.

Extra toelichting en moderne ontwikkelingen

Er zijn drie 'generaties' van fermionen in het Standaardmodel: elke generatie bevat twee quarks en twee leptonen met stijgende massa's. De eerste generatie vormt de normale materie om ons heen (up- en down‑quark, elektron en elektron‑neutrino). Neutrino's bleken te oscilleren tussen soorten, wat impliceert dat ze een zeer kleine maar niet‑nul massa hebben — een belangrijke aanwijzing voor fysica buiten het klassieke Standaardmodel.

Quarks dragen naast elektrische lading ook een zogenaamde kleur‑lading (kleur is hier een kwantumeigenschap, geen visuele kleur) en kunnen nooit als individuele, vrije deeltjes worden waargenomen: dit verschijnsel heet confinemenet. De dragers van de wisselwerkingen in het Standaardmodel zijn onder meer het foton (elektromagnetisme), de gluonen (sterke kracht) en de W- en Z‑bosonen (zwakke kracht). Een mogelijke graviton als drager van zwaartekracht hoort niet bij het Standaardmodel en is nog hypothetisch.

Mede door precisie-experimenten en grote deeltjesversnellers zoals de LHC blijven natuurkundigen zoeken naar zwakke punten en uitbreidingen van het Standaardmodel (bijv. donkere materie, materie‑antimaterie asymmetrie, en kwantumzwaartekracht). Het concept van elementaire deeltjes en hun eigenschappen blijft daarbij de basis van ons begrip van de materie en de krachten in het heelal.