Deeltjes, 1964

Deeltjesfysica vanaf 1964

Het Standaardmodel

Tegen het midden van de zestiger jaren zagen de natuurkundigen in dat hun begrip van de materie tekort schoot: met alleen de fundamentele deeltjes proton, neutron en elektron was geen verklaring te vinden voor de talloze nieuwe deeltjes die werden ontdekt. De quark-theorie van Gell-Mann en Zweig loste dit probleem op.
Deze theorie kreeg steeds meer steun, en werd bevestigd door experimenten met nieuwe deeltjesversnellers. In dertig jaar groeide ze geleidelijk uit tot het Standaardmodel van deeltjes en wisselwerkingen.

Deeltjes die ontdekt werden, vanaf 1964:

1964 Murray Gell-Mann en George Zweig brengen het idee van 'quarks' als probeersel naar voren. Ze stellen voor dat mesonen en baryonen samengesteld zijn uit drie (dit klopt niet precies) quarks of antiquarks, genoemd 'up', 'down' en 'strange' (u, d, s), met spin 1/2 en elektrische lading 2/3, –1/3, –1/3. Omdat deze ladingen nooit waargenomen zijn worden de quarks vooral gezien als wiskundig hulpmiddel ter beschrijving van smaak-patronen in deeltjesmassa's, en niet als echte fysische objecten (nu vatten we ze wel zo op, ook al kunnen ze niet worden geïsoleerd).
In verscheidene artikelen wordt een vierde quark voorgesteld, met een nieuwe smaak, om eenzelfde herhalingspatroon te krijgen als bij de leptonen (later genoemd: 'generaties' van de materie, nu 3, toen 2). Heel weinig fysici nemen dit idee serieus, maar Sheldon Glashow en James Bjorken vonden het wel charmant, en gaven het vierde quark de naam 'charm' (c).
1965 O.W. Greenberg, M.Y. Han en Yoichiro Nambu voeren de quark-eigenschap 'kleur-lading' in. Alle waargenomen hadronen zijn kleur-neutraal.
... 1966 ... Het quark-model wordt nogal langzaam geaccepteerd omdat quarks niet worden waargenomen.
1967 Steven Weinberg en Abdus Salam stellen elk een theorie voor die de elektromagnetische en de zwakke wisselwerking verenigt in de 'elektro-zwakke' wisselwerking. Hun theorie vereist het bestaan van een neutraal, zwak wisselwerkend boson (nu genoemd: Z⁰), dat bemiddelt bij een bepaald soort zwakke wisselwerking die dan nog niet is waargenomen (neutrale stroom, d.w.z. elastische botsing). Ze voorspellen ook nog een ander massief boson, het 'Higgs-boson'.
1968/9 Met de lineaire versneller in Stanford (SLAC) wordt een experiment gedaan waarbij elektronen verstrooid worden door protonen, en dan lijken ze af te ketsen tegen smalle harde pitten in het proton. James Bjorken en Richard Feynman analyseren de gegevens in termen van samenstellende deeltjes in het proton (ze gebruiken niet de naam "quark", maar dit experiment levert wel bewijsmateriaal voor quarks).
1970 Sheldon Glashow, John Iliopoulos en Luciano Maiani zien het belang in van een vierde type quark voor een theorie van de zwakke wisselwerking: tegenstrijdigheden verdwijnen dan bij de door Z⁰ bemiddelde zwakke wisselwerking waarbij de smaak niet verandert (elastische botsingen van neutrino's).
1972 Martinus Veltman en Gerard 't Hooft laten zien dat een theorie als die van Yang en Mills (uit 1954) bruikbaar is voor de elektro-zwakke wisselwerking; oneindigheden kunnen verdwijnen door 'renormeren'.
1973 Op grond van de theoretische voorspelling: zwakke wisselwerking zonder uitwisseling van lading is mogelijk (met bemiddeling van Z⁰) analyseert Donald Perkins nog eens oude gegevens van het CERN, en hij vindt aanwijzingen ervoor.
Een quantum-veldentheorie van de sterke wisselwerking wordt geformuleerd, het eerst door Harald Fritzsch en Murray Gell-Mann. Deze theorie van quarks en gluonen (nu onderdeel van het Standaardmodel) heeft eenzelfde soort structuur als de quantumelektrodynamica (QED), en heet quantumchromodynamica (QCD), wegens de "kleurlading" van de quarks (G: chrooma - kleur). Gluonen zijn massaloze quanta van het sterke veld, zoals fotonen dat zijn van het elektromagnetische veld.
David Politzer, David Gross en Frank Wilczek ontdekken dat de kleurtheorie van de sterke kracht een speciale eigenschap heeft, die nu 'asymptotische vrijheid' heet (als de quarks steeds dichter bij elkaar komen wordt de kracht steeds kleiner). Deze eigenschap is nodig voor de beschrijving van de gegevens uit 1968/9 over de structuur van het proton.
1974 In een samenvattende voordracht voor een conferentie presenteert John Iliopoulos voor het eerst als één geheel de zienswijze in de deeltjesfysica die nu het Standaardmodel heet. Als je de verschillende aspecten ervan wilt begrijpen kun je het beste het 'Standaardmodel-pad' volgen.
Burton Richter en Samuel Ting, de leiders van twee aparte experimenten met deeltjesversnellers, kondigen op dezelfde dag aan dat ze hetzelfde nieuw deeltje hebben ontdekt. Ting en zijn medewerkers in Brookhaven noemden dit het 'J'-deeltje; Richter en zijn medewerkers bij het SLAC hadden de naam ('psi')-deeltje. Omdat men aan beide ontdekkingen evenveel gewicht toekent staat het nu bekend als het -deeltje (of: 'gypsy'). Het is een meson: charm en anti-charm.
1976 Gerson Goldhaber en François Pierre vinden het D⁰-meson (anti-up, charm). De theoretische voorspellingen komen prachtig overeen met de experimentele resultaten, zodat het Standaardmodel ondersteund wordt.
Het tau-lepton ('tauon') wordt ontdekt door Martin Perl en medewerkers bij SLAC. Geheel onverwacht: het is het eerst gevonden deeltje van de derde generatie.
1977 Leon Lederman en zijn medewerkers op Fermilab ontdekken nog een ander quark (en zijn antiquark). Het wordt 'bottom' genoemd, en omdat de fysici denken dat quarks in paren voorkomen gaan ze op zoek naar een zesde quark, 'top'.
1978 Charles Prescott en Richard Taylor signaleren een door Z⁰ bemiddelde wisselwerking, in de verstrooiing van gepolariseerde elektronen aan deuterium, die een schending vertoont van behoud van 'pariteit' (gelijkheid na spiegeling). Dit bevestigt een voorspelling van het Standaardmodel.
1979 Sterke aanwijzingen worden gevonden voor een 'gluon' dat wordt uitgestraald door een quark of anti-quark, met de PETRA-versneller met botsende bundels van het DESY-laboratorium in Hamburg.
1983 De intermediaire bosonen W^± en Z⁰, die vereist zijn in de elektro-zwakke theorie, worden waargenomen bij twee experimenten met het CERN-synchrotron, dankzij een slimme techniek van Carlo Rubbia en Simon van der Meer om protonen en anti-protonen te laten botsen.
1989 Experimenten bij SLAC en CERN doen sterk vermoeden dat er drie en slechts drie generaties van fundamentele deeltjes zijn. Dit wordt afgeleid door aan te tonen dat de levensduur van het Z⁰-boson alleen klopt met het bestaan van precies drie heel lichte (of massaloze) neutrino's.
1995 Na achttien jaar zoeken met vele versnellers ontdekken fysici van Fermilab (experimenten CDF en D0) het top-quark, met de onverwacht grote massa van 175 GeV. Niemand begrijpt waarom deze massa zoveel verschilt van die van de vijf andere quarks.
1998 Onderzoekers bij Super-Kamiokande in Japan concluderen: de neutrinomassa is niet nul.
2000 Onderzoekers van Fermilab geven direct bewijs voor het tau-neutrino.
2012 Bijna een halve eeuw na de voorspelling van een boson als deel van een mechanisme (bedacht door een aantal theoretici) waarmee fundamentele deeltjes massa krijgen, ontdekken de ATLAS- en CMS-experimenten bij CERN het 'Higgs-boson'. Zie 'Fireworks' bij The Particle Adventure.
2015 Meting van zwaartekrachtgolven, een eeuw na de voorspelling van Einstein.

Woordenlijst

1964	Murray Gell-Mann en George Zweig brengen het idee van 'quarks' als probeersel naar voren. Ze stellen voor dat mesonen en baryonen samengesteld zijn uit drie (dit klopt niet precies) quarks of antiquarks, genoemd 'up', 'down' en 'strange' (u, d, s), met spin 1/2 en elektrische lading 2/3, –1/3, –1/3. Omdat deze ladingen nooit waargenomen zijn worden de quarks vooral gezien als wiskundig hulpmiddel ter beschrijving van smaak-patronen in deeltjesmassa's, en niet als echte fysische objecten (nu vatten we ze wel zo op, ook al kunnen ze niet worden geïsoleerd). In verscheidene artikelen wordt een vierde quark voorgesteld, met een nieuwe smaak, om eenzelfde herhalingspatroon te krijgen als bij de leptonen (later genoemd: 'generaties' van de materie, nu 3, toen 2). Heel weinig fysici nemen dit idee serieus, maar Sheldon Glashow en James Bjorken vonden het wel charmant, en gaven het vierde quark de naam 'charm' (c).
1965	O.W. Greenberg, M.Y. Han en Yoichiro Nambu voeren de quark-eigenschap 'kleur-lading' in. Alle waargenomen hadronen zijn kleur-neutraal.
... 1966 ...	Het quark-model wordt nogal langzaam geaccepteerd omdat quarks niet worden waargenomen.
1967	Steven Weinberg en Abdus Salam stellen elk een theorie voor die de elektromagnetische en de zwakke wisselwerking verenigt in de 'elektro-zwakke' wisselwerking. Hun theorie vereist het bestaan van een neutraal, zwak wisselwerkend boson (nu genoemd: Z⁰), dat bemiddelt bij een bepaald soort zwakke wisselwerking die dan nog niet is waargenomen (neutrale stroom, d.w.z. elastische botsing). Ze voorspellen ook nog een ander massief boson, het 'Higgs-boson'.
1968/9	Met de lineaire versneller in Stanford (SLAC) wordt een experiment gedaan waarbij elektronen verstrooid worden door protonen, en dan lijken ze af te ketsen tegen smalle harde pitten in het proton. James Bjorken en Richard Feynman analyseren de gegevens in termen van samenstellende deeltjes in het proton (ze gebruiken niet de naam "quark", maar dit experiment levert wel bewijsmateriaal voor quarks).
1970	Sheldon Glashow, John Iliopoulos en Luciano Maiani zien het belang in van een vierde type quark voor een theorie van de zwakke wisselwerking: tegenstrijdigheden verdwijnen dan bij de door Z⁰ bemiddelde zwakke wisselwerking waarbij de smaak niet verandert (elastische botsingen van neutrino's).
1972	Martinus Veltman en Gerard 't Hooft laten zien dat een theorie als die van Yang en Mills (uit 1954) bruikbaar is voor de elektro-zwakke wisselwerking; oneindigheden kunnen verdwijnen door 'renormeren'.
1973	Op grond van de theoretische voorspelling: zwakke wisselwerking zonder uitwisseling van lading is mogelijk (met bemiddeling van Z⁰) analyseert Donald Perkins nog eens oude gegevens van het CERN, en hij vindt aanwijzingen ervoor. Een quantum-veldentheorie van de sterke wisselwerking wordt geformuleerd, het eerst door Harald Fritzsch en Murray Gell-Mann. Deze theorie van quarks en gluonen (nu onderdeel van het Standaardmodel) heeft eenzelfde soort structuur als de quantumelektrodynamica (QED), en heet quantumchromodynamica (QCD), wegens de "kleurlading" van de quarks (G: chrooma - kleur). Gluonen zijn massaloze quanta van het sterke veld, zoals fotonen dat zijn van het elektromagnetische veld. David Politzer, David Gross en Frank Wilczek ontdekken dat de kleurtheorie van de sterke kracht een speciale eigenschap heeft, die nu 'asymptotische vrijheid' heet (als de quarks steeds dichter bij elkaar komen wordt de kracht steeds kleiner). Deze eigenschap is nodig voor de beschrijving van de gegevens uit 1968/9 over de structuur van het proton.
1974	In een samenvattende voordracht voor een conferentie presenteert John Iliopoulos voor het eerst als één geheel de zienswijze in de deeltjesfysica die nu het Standaardmodel heet. Als je de verschillende aspecten ervan wilt begrijpen kun je het beste het 'Standaardmodel-pad' volgen. Burton Richter en Samuel Ting, de leiders van twee aparte experimenten met deeltjesversnellers, kondigen op dezelfde dag aan dat ze hetzelfde nieuw deeltje hebben ontdekt. Ting en zijn medewerkers in Brookhaven noemden dit het 'J'-deeltje; Richter en zijn medewerkers bij het SLAC hadden de naam ('psi')-deeltje. Omdat men aan beide ontdekkingen evenveel gewicht toekent staat het nu bekend als het -deeltje (of: 'gypsy'). Het is een meson: charm en anti-charm.
1976	Gerson Goldhaber en François Pierre vinden het D⁰-meson (anti-up, charm). De theoretische voorspellingen komen prachtig overeen met de experimentele resultaten, zodat het Standaardmodel ondersteund wordt. Het tau-lepton ('tauon') wordt ontdekt door Martin Perl en medewerkers bij SLAC. Geheel onverwacht: het is het eerst gevonden deeltje van de derde generatie.
1977	Leon Lederman en zijn medewerkers op Fermilab ontdekken nog een ander quark (en zijn antiquark). Het wordt 'bottom' genoemd, en omdat de fysici denken dat quarks in paren voorkomen gaan ze op zoek naar een zesde quark, 'top'.
1978	Charles Prescott en Richard Taylor signaleren een door Z⁰ bemiddelde wisselwerking, in de verstrooiing van gepolariseerde elektronen aan deuterium, die een schending vertoont van behoud van 'pariteit' (gelijkheid na spiegeling). Dit bevestigt een voorspelling van het Standaardmodel.
1979	Sterke aanwijzingen worden gevonden voor een 'gluon' dat wordt uitgestraald door een quark of anti-quark, met de PETRA-versneller met botsende bundels van het DESY-laboratorium in Hamburg.
1983	De intermediaire bosonen W^± en Z⁰, die vereist zijn in de elektro-zwakke theorie, worden waargenomen bij twee experimenten met het CERN-synchrotron, dankzij een slimme techniek van Carlo Rubbia en Simon van der Meer om protonen en anti-protonen te laten botsen.
1989	Experimenten bij SLAC en CERN doen sterk vermoeden dat er drie en slechts drie generaties van fundamentele deeltjes zijn. Dit wordt afgeleid door aan te tonen dat de levensduur van het Z⁰-boson alleen klopt met het bestaan van precies drie heel lichte (of massaloze) neutrino's.
1995	Na achttien jaar zoeken met vele versnellers ontdekken fysici van Fermilab (experimenten CDF en D0) het top-quark, met de onverwacht grote massa van 175 GeV. Niemand begrijpt waarom deze massa zoveel verschilt van die van de vijf andere quarks.
1998	Onderzoekers bij Super-Kamiokande in Japan concluderen: de neutrinomassa is niet nul.
2000	Onderzoekers van Fermilab geven direct bewijs voor het tau-neutrino.
2012	Bijna een halve eeuw na de voorspelling van een boson als deel van een mechanisme (bedacht door een aantal theoretici) waarmee fundamentele deeltjes massa krijgen, ontdekken de ATLAS- en CMS-experimenten bij CERN het 'Higgs-boson'. Zie 'Fireworks' bij The Particle Adventure.
2015	Meting van zwaartekrachtgolven, een eeuw na de voorspelling van Einstein.