Standaardmodel van de deeltjesfysica

Fermionen zijn deeltjes die samen alle "materie" vormen die we zien. Voorbeelden van groepen fermionen zijn het proton en het neutron. Fermionen hebben eigenschappen, zoals lading en massa, die in het dagelijks leven kunnen worden waargenomen. Zij hebben ook andere eigenschappen, zoals spin, zwakke lading, hyperlading, en kleurlading, waarvan de effecten gewoonlijk niet in het dagelijks leven te zien zijn. Deze eigenschappen krijgen getallen die kwantumgetallen worden genoemd.

Fermionen zijn deeltjes waarvan het spingetal gelijk is aan een oneven, positief getal maal de helft: 1/2, 3/2, 5/2, enz. We zeggen dat fermionen "half integer spin" hebben.

Een belangrijk feit over fermionen is dat zij een regel volgen die het Pauli uitsluitingsbeginsel wordt genoemd. Deze regel zegt dat geen twee fermionen op hetzelfde moment op dezelfde "plaats" kunnen zijn, omdat geen twee fermionen in een atoom op hetzelfde moment dezelfde kwantumgetallen kunnen hebben. Fermionen gehoorzamen ook aan een theorie die Fermi-Dirac statistiek heet. Het woord "fermion" is een eerbetoon aan de natuurkundige Enrico Fermi.

Er zijn 12 verschillende soorten fermionen. Elk type wordt een "smaak" genoemd. Hun namen zijn:

• Quarks - op, neer, vreemd, charme, boven, onder
• Leptonen - elektron, muon, tau, elektron-neutrino, muon-neutrino, tau-neutrino. Het elektron is de bekendste lepton.

Quarks zijn gegroepeerd in drie paren. Elk paar wordt een "generatie" genoemd. De eerste quark van elk paar heeft lading 2/3, en de tweede quark heeft lading -1/3. De drie soorten neutrino's hebben een lading 0. Het elektron, muon, en tau hebben lading -1.

Materie is gemaakt van atomen, en atomen zijn gemaakt van elektronen, protonen en neutronen. Protonen en neutronen zijn gemaakt van op- en neergaande quarks. Je kunt een lepton op zichzelf vinden, maar je kunt nooit quarks op zichzelf vinden. Dat komt omdat quarks bij elkaar worden gehouden door de kleurkracht.

Bosonen zijn het tweede type elementaire deeltjes in het standaardmodel. Alle bosonen hebben een gehele spin (1, 2, 3, enz.), zodat er veel bosonen tegelijk op dezelfde plaats kunnen zijn. Er zijn twee soorten bosonen: peilbosonen en het Higgsboson. De peilbosonen maken de fundamentele natuurkrachten mogelijk. (We weten nog niet zeker of de zwaartekracht via een peilboson werkt.) Elke kracht die op fermionen werkt, gebeurt omdat er peilbosonen tussen de fermionen bewegen, die de kracht overbrengen. Bosonen volgen een theorie die Bose-Einstein statistiek heet. Het woord "boson" is een eerbetoon aan de Indiase natuurkundige Satyendra Nath Bose.

Het standaardmodel zegt dat er:

• 12 fermionen, elk met zijn eigen antideeltje;
• 12 gauge bosonen: 8 soorten gluonen, het foton, W+, W-, en Z;

Deze deeltjes zijn allemaal waargenomen in de natuur of in het laboratorium. Het model voorspelt ook dat er een Higgs boson is. Het model zegt dat fermionen massa hebben (ze zijn niet alleen pure energie) omdat Higgs bosonen heen en weer reizen tussen die fermionen. Men denkt dat het Higgs boson op 4 juli 2012 is ontdekt. Het is het deeltje dat massa geeft aan andere deeltjes.

Er zijn vier basiskrachten in de natuur bekend. Deze krachten beïnvloeden fermionen, en worden overgebracht door bosonen die tussen die fermionen reizen. Het standaardmodel verklaart drie van deze vier krachten.

• Sterke kracht: Deze kracht houdt quarks bij elkaar om hadronen te maken, zoals protonen en neutronen. De sterke kracht wordt gedragen door gluonen. De theorie van quarks, de sterke kracht en gluonen wordt quantumchromodynamica (QCD) genoemd.
• De overblijvende sterke kracht houdt protonen en neutronen bijeen om de kern van elk atoom te vormen. Deze kracht wordt overgebracht door mesonen, die uit twee quarks bestaan.
• Zwakke kracht: Deze kracht kan de smaak van een fermion veranderen en veroorzaakt bètaverval. De zwakke kracht wordt overgebracht door drie peilbosonen: W+, W-, en het Z-boson.
• Elektromagnetische kracht: Deze kracht verklaart elektriciteit, magnetisme en andere elektromagnetische golven, waaronder licht. Deze kracht wordt overgebracht door het foton. De gecombineerde theorie van het elektron, het foton en het elektromagnetisme wordt de kwantum-elektrodynamica genoemd.
• Zwaartekracht: Dit is de enige fundamentele kracht die niet verklaard wordt door het SM. Zij wordt mogelijk gedragen door een deeltje dat het graviton wordt genoemd. Natuurkundigen zijn op zoek naar het graviton, maar zij hebben het nog niet gevonden.

De sterke en zwakke krachten komen alleen voor binnen de kern van een atoom. Zij werken alleen over zeer kleine afstanden: afstanden die ongeveer zo ver zijn als een proton breed is. De elektromagnetische kracht en de zwaartekracht werken over elke afstand, maar de kracht van deze krachten neemt af naarmate de betrokken voorwerpen verder van elkaar verwijderd zijn. De kracht neemt af met het kwadraat van de afstand tussen de betrokken voorwerpen: als twee voorwerpen bijvoorbeeld twee keer zo ver van elkaar verwijderd raken, wordt de zwaartekracht tussen hen vier keer minder sterk (²²⁼⁴).

Het standaardmodel is geen theorie van alles. Het bevat niet de volledige gravitatietheorie zoals beschreven door de algemene relativiteit, noch verklaart het de versnelde uitdijing van het heelal (zoals mogelijk beschreven door donkere energie). Het model bevat geen enkel deeltje van donkere materie dat alle eigenschappen bezit die in de observationele kosmologie zijn waargenomen. Aangenomen wordt dat het SM theoretisch zelfconsistent is. Het heeft enorme en aanhoudende successen laten zien in experimentele voorspellingen, maar het laat wel een aantal dingen onverklaard.