Standaardmodel van de deeltjesfysica

De deeltjes van het standaardmodel

Het standaardmodel van de deeltjesfysica is een theorie uit de deeltjesfysica waarin de krachten en deeltjes die alle materie vormen, worden beschreven. Experimenten hebben aangetoond dat deze theorie met de kwantummechanica en de speciale relativiteitstheorie in overeenstemming is. Het is echter geen allesbeschrijvende theorie van fundamentele interacties, hoofdzakelijk omdat het de zwaartekracht buiten beschouwing laat. In de jaren zeventig is het standaardmodel opgezet en men heeft hiermee veelvuldig de uitkomst van experimenten succesvol kunnen voorspellen. Vandaag is het standaardmodel een breed aanvaarde theorie die in veel gebieden toepasbaar is. Het standaardmodel voorspelde tot voor kort dat neutrino's massaloos zijn. De ontdekking van neutrino-oscillaties (het fenomeen waarbij neutrino's van de ene generatie in de ander omgezet worden) vereist echter dat deze een massa hebben.

Materiedeeltjes en krachtvoerende deeltjes

Wisselwerking tussen de deeltjes

Alle delen van het atoom bestaan uit fundamentele materiedeeltjes en krachtvoerende deeltjes. Materiedeeltjes hebben een halftallige spin, voldoen dus aan de Fermi-Diracverdeling en heten daarom fermionen. Ze zijn te onderscheiden in leptonen en quarks. Alleen elektron en up- en downquark zijn stabiel; dit zijn de bouwstenen van atomen. De overige, zware fermionen vervallen binnen enkele microseconden.

De krachtvoerende deeltjes hebben een gehele spin, voldoen dus aan de Bose-Einsteinstatistiek en heten daarom (intermediaire vector) bosonen. Ze zijn de overbrengers van de vier fundamentele natuurkrachten. De zwaartekracht met het gepostuleerde maar nog niet aangetoonde graviton valt voorlopig buiten het standaardmodel.

Er zijn ongeveer 200 subatomaire deeltjes bekend. Die worden aangeduid met een letter uit het Latijnse of Griekse alfabet, aangevuld met een andere letter, '+', '−', '0', '/' of een streep.

Schematisch overzicht van natuurkundige atomaire deeltjes
elementair fermionen quarks up (quark + antiquark) • down (quark + antiquark) • charm (quark + antiquark) • strange (quark + antiquark) • top (quark + antiquark) • bottom (quark + antiquark)
leptonen elektron • positron • muon • antimuon • tau • antitau • elektron-neutrino • elektron-antineutrino • muon-neutrino • muon-antineutrino • tau-neutrino • tau-antineutrino
bosonen vector foton • gluon • W- en Z-bosonen
scalair higgsboson
spookvelden Faddeev–Popov-spoken
hypothetisch superpartners gaugnionen gluino • gravitino • fotino
overige higgsino • neutralino • chargino • axino • sfermion (stop squark)
overige planckdeeltje • axion • dilaton • dual graviton • graviton • leptoquark • majoron • majorana • fermion • magnetische monopool • preon • steriel neutrino • tachyon • W′- en Z′-bosonen • X- en Y-bosonen
composiet hadronen baryonen / hyperonen nucleon • proton • antiproton • neutron • antineutron • delta baryon • lambda baryon • sigma baryon • xi baryon • omega baryon
mesonen / quarkonia pion • rho meson • eta en eta prime meson • phi meson • J/psi meson • omega meson • upsilon meson • kaon • B meson • D meson
exotische hadronen tetraquark • pentaquark
overige atoomkern • atomen • Exotische atomen • positronium • muonium • tauonium • onia • superatomen • moleculen
hypothetisch hypothetische baryonen hexaquark • skyrmion
hypothetische mesonen glueball • theta meson • T meson
overige mesonic molecuul • pomeron • diquark
quasideeltjes davydov soliton • dropleton • exciton • hole ("elektrongat") • magnon • phonon • plasmaron • plasmon • polariton • polaron • roton • trion

Leptonen en quarks kunnen in drie generaties voorkomen. Zichtbare materie in het heelal bestaat vrijwel uitsluitend uit deeltjes van de eerste generatie: up- en downquarks, elektronen en elektron-neutrino's. Deeltjes van de tweede en derde generatie zijn instabiel: ze vervallen in een fractie van een seconde in deeltjes van de eerste generatie, maar kunnen wel gegenereerd worden door botsingen van (hoogenergetische) deeltjes van de eerste generatie.

Soort   Eerste generatie   Tweede generatie   Derde generatie
Soort fermion Lading (e) Deeltje Symbool Massa (GeV) Deeltje Symbool Massa (GeV) Deeltje Symbool Massa (GeV)
Quarks +2⁄3 Up u 0,003 Charm c 1,3 Top (truth) t 174
−1⁄3 Down d 0,006 Strange s 0,14 Bottom (beauty) b 4,3
Leptonen −1 Elektron e− 0,000 51 Muon μ− 0,106 Tau τ− 1,784
0 Elektron-neutrino υe < 15 × 10−8 Muon-neutrino υμ < 2,5 × 10−4 Tau-neutrino υτ < 3,5 × 10−2

Kwantumvelden

De deeltjes van het standaardmodel zijn geen deeltjes uit de klassieke mechanica maar kwantumdeeltjes, of beter: kwantumvelden. Elektronen zijn wel deeltjes met massa en lading, maar in een atoom zijn het geen kogeltjes die rond de kern draaien volgens de klassieke wetten van Newton en Coulomb, maar golfpatronen rond de kern. Kwantumdeeltjes beschrijven geen banen; het zijn velden met massa en lading waarvoor relativistische kwantumtheorie ontwikkeld wordt, een combinatie van elektromagnetisme en speciale relativiteitstheorie met niet-relativistische kwantummechanica. Het standaardmodel is vooral een kwantumveldentheorie waarin deeltjes en hun wisselwerking beschreven worden door wiskundige formules (lagrangianen) met een zeer compacte complexe notatie.[1]

Het algemeen geaccepteerde en toegepaste deel van deze theorie is kwantumelektrodynamica (QED) dat fotonen, elektronen en stabiele ongedeelde atoomkernen beschrijft en zo de basis vormt van de chemie en materiaalkunde. Recenter zijn kwantumchromodynamica (QCD) en elektrozwakke wisselwerking om atoomkerndelen (gluonen, W en Z bosonen, quarks) en neutrino's in de theorie te betrekken om zo ook de eigenschappen van de vele instabiele deeltjes te verklaren die grote deeltjesversnellers produceren. Maar in de bekende Course of Theoretical Physics van Landau en Lifshitz zijn deze delen van het model nog niet opgenomen.[2]

Zie ook Subatomair deeltje voor meer eigenschappen van de deeltjes uit het standaardmodel.
Zie ook Lijst van deeltjes uit de deeltjesfysica voor een compleet overzicht van alle deeltjes.
  • (nl) First Encounter - een Nederlandse introductie
  • (en) Particle Chart - een kaart met een overzicht van de deeltjes en interacties in het standaardmodel
  • (en) Particle Adventure - een zeer duidelijke en leerzame site over elementaire deeltjes.