Er wordt vaak beweerd dat de oude Grieken de eerste waren die objecten identificeerden die geen grootte hebben, maar wel in staat zijn om de wereld om ons heen op te bouwen door hun interacties. En omdat we de wereld in steeds kleinere details kunnen observeren met behulp van microscopen met toenemende kracht, is het natuurlijk om je af te vragen waar deze objecten van gemaakt zijn.

we geloven dat we een aantal van deze objecten hebben gevonden: subatomaire deeltjes, of fundamentele deeltjes, die geen grootte kunnen hebben geen substructuur. We proberen nu de eigenschappen van deze deeltjes uit te leggen en te laten zien hoe deze kunnen worden gebruikt om de inhoud van het universum te verklaren.

Er zijn twee soorten fundamentele deeltjes: materiedeeltjes, waarvan sommige samen de wereld om ons heen produceren, en krachtdeeltjes – waarvan één, het foton, verantwoordelijk is voor elektromagnetische straling. Deze worden geclassificeerd in het standaardmodel van deeltjesfysica, dat theoretiseert hoe de fundamentele bouwstenen van materie interageren, geregeerd door fundamentele krachten. Materie deeltjes zijn fermionen terwijl kracht deeltjes zijn bosonen.

materie deeltjes: quarks en leptonen

materie deeltjes worden verdeeld in twee groepen: quarks en leptonen – er zijn zes van deze, elk met een overeenkomstige partner.

leptonen zijn verdeeld in drie paren. Elk paar heeft een elementair deeltje met een lading en een zonder lading – een die veel lichter is en extreem moeilijk te detecteren. Het lichtste van deze paren is het elektron en elektron-neutrino.

het geladen elektron is verantwoordelijk voor elektrische stromen. Zijn ongeladen partner, bekend als het elektron-neutrino, wordt overvloedig geproduceerd in de zon en deze interageren zo zwak met hun omgeving dat ze ongehinderd door de aarde gaan. Een miljoen van hen passeren elke vierkante centimeter van je lichaam elke seconde, dag en nacht.

elektron-neutrino ‘ s worden in onvoorstelbare aantallen geproduceerd tijdens supernova-explosies en het zijn deze deeltjes die elementen die door kernverbranding in het heelal worden geproduceerd, verspreiden. Deze elementen omvatten de koolstof waaruit we zijn gemaakt, de zuurstof die we inademen, en bijna alles op aarde. Daarom, ondanks de onwil van neutrino ‘ s om te interageren met andere fundamentele deeltjes, zijn ze van vitaal belang voor ons bestaan. De andere twee neutrino paren (muon en muon neutrino, Tau en tau neutrino genoemd) lijken gewoon zwaardere versies van het elektron te zijn.

aangezien normale materie deze deeltjes niet bevat, kan het lijken dat ze een onnodige complicatie zijn. Maar tijdens de eerste één tot tien seconden van het universum na de oerknal, hadden ze een cruciale rol te spelen in het vaststellen van de structuur van het universum waarin we leven – bekend als het Lepton-Tijdperk.

de zes quarks zijn ook opgesplitst in drie paren met grillige namen: “up “met” down”,” charm “met” strange”, en” top “met” bottom “(voorheen” truth “en” beauty ” genoemd, maar helaas veranderd). De op en neer quarks plakken samen om de protonen en neutronen te vormen die in het hart van elk atoom liggen. Opnieuw worden alleen de lichtste paar quarks gevonden in normale materie, de charme/vreemde en top/bottom paren lijken geen rol te spelen in het universum zoals het nu bestaat, maar, net als de zwaardere leptonen, speelden een rol in de vroege momenten van het universum en hielpen om er een te creëren die ontvankelijk is voor ons bestaan.

krachtdeeltjes

Er zijn zes krachtdeeltjes in het standaardmodel, die de interacties tussen materiedeeltjes creëren. Ze zijn verdeeld in vier fundamentele krachten: gravitationele, elektromagnetische, sterke en zwakke krachten.

een foton is een deeltje van licht en is verantwoordelijk voor elektrische en magnetische velden, gecreëerd door de uitwisseling van fotonen van het ene geladen object naar het andere. het gluon produceert de kracht die verantwoordelijk is voor het samenhouden van quarks tot protonen en neutronen, en voor het samenhouden van deze protonen en neutronen tot zwaardere kernen.

drie deeltjes genaamd de “W plus”, de “W minus” en de “Z nul” – aangeduid als intermediaire vector bosonen – zijn verantwoordelijk voor het proces van radioactief verval en voor de processen in de zon waardoor het schijnt. Een zesde krachtdeeltje, het graviton, wordt verondersteld verantwoordelijk te zijn voor de zwaartekracht, maar is nog niet waargenomen.

antimaterie: de science fiction realiteit

we weten ook van het bestaan van antimaterie. Dit is een concept dat veel geliefd is bij sciencefictionschrijvers, maar het bestaat echt. Antimateriedeeltjes zijn vaak waargenomen. Bijvoorbeeld, het positron (het anti-deeltje van het elektron) wordt gebruikt in de geneeskunde om onze interne organen in kaart te brengen met behulp van positron emissie tomografie (PET). Als een deeltje zijn anti-deeltje ontmoet, vernietigen ze elkaar en ontstaat er een uitbarsting van energie. Een PET scanner wordt gebruikt om dit te detecteren.

elk van de materiedeeltjes hierboven heeft een partnerdeeltje dat dezelfde massa heeft, maar een tegengestelde elektrische lading, dus we kunnen het aantal materiedeeltjes verdubbelen (zes quarks en zes leptonen) om te komen tot een uiteindelijk aantal van 24.

We geven materie quarks een aantal van +1 en antimaterie quarks een waarde van -1. Als we het aantal materiequarks plus het aantal antimateriequarks optellen dan krijgen we het netto aantal quarks in het universum, dit varieert nooit. Als we genoeg energie hebben kunnen we elk van de materie quarks creëren, zolang we tegelijkertijd een antimateriekwark creëren. In de vroege momenten van het universum werden deze deeltjes voortdurend gecreëerd – nu worden ze alleen gecreëerd door botsingen van kosmische stralen met de atmosfeer van planeten en sterren.

het beroemde higgsboson

Er is een laatste deeltje dat de roll call van deeltjes voltooit in het tot nu toe beschreven standaardmodel van deeltjesfysica. Het is het Higgs, voorspeld door Peter Higgs 50 jaar geleden, en wiens ontdekking op CERN in 2012 leidde tot een Nobelprijs voor Higgs en Francois Englert.

het higgsboson is een oneven deeltje: het is het op één na zwaarste deeltje van het standaardmodel en het is bestand tegen een eenvoudige verklaring. Het wordt vaak gezegd dat het de oorsprong van de massa is, wat waar is, maar misleidend. Het geeft massa aan de quarks, en quarks vormen de protonen en neutronen, maar slechts 2% van de massa van protonen en neutronen wordt geleverd door de quarks, en de rest is van de energie in de gluonen.

Op dit punt hebben we rekening gehouden met alle deeltjes die nodig zijn door het standaardmodel: zes krachtdeeltjes, 24 materie deeltjes en één Higgs deeltje – een totaal van 31 fundamentele deeltjes. Ondanks wat we over hen weten, zijn hun eigenschappen niet goed genoeg gemeten om ons in staat te stellen definitief te zeggen dat deze deeltjes alles zijn wat nodig is om het universum te bouwen dat we om ons heen zien, en we hebben zeker niet alle antwoorden. De volgende run van de Large Hadron Collider zal ons in staat stellen om onze metingen van sommige van deze eigenschappen te verfijnen – maar er is iets anders.

toch is de theorie nog steeds verkeerd

de mooie theorie, het standaardmodel, is getest en opnieuw getest over twee decennia en meer; en we hebben nog geen meting gedaan die in tegenspraak is met onze voorspellingen. Maar we weten dat het standaardmodel verkeerd moet zijn. Wanneer we twee fundamentele deeltjes tegen elkaar botsen, zijn een aantal uitkomsten mogelijk. Onze theorie stelt ons in staat om de waarschijnlijkheid te berekenen dat een bepaalde uitkomst kan plaatsvinden, maar bij energieën waarboven we tot nu toe hebben bereikt, voorspelt het dat sommige van deze uitkomsten optreden met een waarschijnlijkheid van meer dan 100% – duidelijk onzin.

theoretische fysici hebben veel moeite gedaan om een theorie te construeren die verstandige antwoorden geeft op alle energieën, terwijl ze hetzelfde antwoord geven als het standaardmodel in elke omstandigheid waarin het standaardmodel is getest.

de meest voorkomende wijziging houdt in dat er zeer zware onontdekte deeltjes zijn. Het feit dat ze zwaar zijn betekent dat er veel energie nodig is om ze te produceren. De eigenschappen van deze extra deeltjes kunnen worden gekozen om ervoor te zorgen dat de resulterende theorie verstandige antwoorden geeft op alle energieën, maar ze hebben geen effect op de metingen die zo goed overeenkomen met het standaardmodel.

Het aantal van deze onontdekte en tot nu toe ongeziene deeltjes hangt af van welke theorie je kiest te geloven. De meest populaire klasse van deze theorieën worden supersymmetrische theorieën genoemd en ze impliceren dat alle deeltjes die we hebben gezien een veel zwaardere tegenhanger hebben. Echter, als ze te zwaar zijn, zullen er problemen ontstaan bij energieën die we kunnen produceren voordat deze deeltjes worden gevonden. Maar de energieën die bereikt zullen worden in de volgende run van de LHC zijn hoog genoeg dat een afwezigheid van nieuwe deeltjes een klap zal zijn voor alle supersymmetrische theorieën.