De sub-atomaire wereldDe deeltjes in het atoomTegen het midden van de jaren dertig van de 20e eeuw dachten de natuurkundigen dat ze de fundamentele opbouw van de materie bijna helemaal begrepen. Al in het begin van de eeuw had Rutherford aangetoond dat atomen een relatief kleine maar dichte atoomkern hebben. De quantumtheorie had de atoom-spectra en de elektronenbanen duidelijk gemaakt. Na de ontdekking van het neutron was te begrijpen waarom de elementen isotopen hebben. De bouwstenen waaruit alle materie was samengesteld vond men in de protonen, neutronen en elektronen.Maar er waren nog enkele raadsels: - Wat houdt de protonen en neutronen bijeen in de kern? - Welke krachten veroorzaken radioactief verval van atoomkernen met alfa-, bèta- en gammastraling? De deeltjesversneller als microscoopOm de atoomkern te bestuderen, en de wisselwerkingen tussen de neutronen en protonen daarin, hadden de fysici een instrument nodig om die zeer kleine kern te 'sonderen', zoals eerder het atoom gesondeerd was in verstrooiingsexperimenten met een straal alfa-deeltjes. De deeltjesversneller is een instrument dat het 'oplossen' van heel kleine structuren mogelijk maakt: deeltjes krijgen een zeer hoge impuls, en daarmee een zeer korte golflengte. De golflengte ( ) van de met het deeltje verbonden golf is omgekeerd evenredig met de impuls (p) van het deeltje (= h/p , waarin h = constante van Planck).
Met deeltjesexperimenten worden botsingen bestudeerd van deeltjes die tot hoge energie versneld zijn. In moderne experimenten zijn er grote, gelaagde detectoren rondom het trefpunt. Elke detectorlaag heeft een aparte functie in het opsporen en identificeren van de vele deeltjes die bij een enkele botsing geproduceerd kunnen worden. De explosie van deeltjesTot verrassing van de fysici onthulden deeltjesexperimenten dat de wereld van de elementaire deeltjes zeer rijk is; er werden veel meer deeltjes ontdekt die lijken op proton en neutron (baryonen genoemd), en een heel nieuwe deeltjesfamilie, de mesonen. Omstreeks 1960 waren er zo'n honderd soorten deeltjes bekend, en nog steeds hadden de natuurkundigen geen volledig begrip van de fundamentele krachten.Het quark-voorstelIn 1964 kwamen twee fysici - Murray Gell-Mann en George Zweig - onafhankelijk van elkaar met het idee dat neutronen en protonen en al die nieuwe deeltjes verklaard konden worden met enkele soorten nog kleinere objecten; Gell-Mann noemde ze quarks. |
|
Ze konden alle waargenomen baryonen en mesonen verklaren met maar drie soorten quarks (nu heten ze up, down, strange) en hun antiquarks.
Het revolutionaire van hun idee was dat ze aan de quarks een elektrische lading moesten toekennen van 2/3 en –1/3 (van de protonlading); zulke gebroken ladingen waren nog nooit waargenomen!
Antiquarks zijn de antimaterie-partners van quarks; ze hebben dezelfde massa als de corresponderende quarks, maar een tegengestelde lading. Als een quark een antiquark ontmoet kunnen ze verdwijnen en hun massa opleveren in een andere vorm van energie (annihilatie). Het StandaardmodelBijna dertig jaar en vele experimenten later was het quark-idee door de natuurkundigen geaccepteerd. Het is nu een onderdeel van het Standaardmodel van fundamentele deeltjes en wisselwerkingen. Nieuwe ontdekkingen hebben aangetoond dat er zes typen quarks zijn (ze kregen de vreemde namen up, down, strange, charm, bottom en top, in de volgorde van toenemende massa). Verder zijn er nog zes typen leptonen, waaronder het elektron. Het Standaardmodel zet uiteen wat de sterke, de zwakke, en de elektromagnetische wisselwerking is, en verklaart zo de wetmatigheden bij binding en verval van atoomkernen.De deeltjes gemaakt van quarksGebroken elektrische ladingen zoals die van quarks zijn nooit waargenomen. De verklaring is: quarks worden nooit apart gevonden, maar alleen binnen samengestelde deeltjes, hadronen genoemd. Er zijn twee klassen van hadronen: baryonen, met drie quarks, en mesonen, met een quark en een antiquark. Hadronen gemaakt van de eerste vijf quarktypen zijn geproduceerd en bestudeerd bij versnellers. Het top-quark heeft een zo grote massa dat het pas na vele jaren geproduceerd kon worden in een versneller met zeer hoge energie: Fermilab, april 1995.
De leptonenAnders dan bij de quarks kan elk van de zes leptonen afzonderlijk gevonden worden. Het elektron is het meest bekende lepton.
Er zijn nog twee geladen leptonen, het muon (ontdekt in 1936) en het tauon (ontdekt in 1975), met een grotere massa dan het elektron.
De andere drie leptonen, de neutrino's, zijn heel moeilijk waar te nemen; ze hebben geen elektrische lading en heel weinig (of geen) massa. Elk van de drie typen neutrino's hoort bij één van de drie geladen leptonen.Bij elk van de zes leptonen hoort een antilepton met gelijke massa en tegengestelde lading.  
Krachten en wisselwerkingenNu we de bouwstenen van de materie kennen komt de vraag: wat houdt ze bijeen? Alle krachten worden veroorzaakt door de onderliggende wisselwerkingen van de deeltjes.Er zijn vier typen wisselwerking: de gravitationele, elektromagnetische, sterke, en zwakke wisselwerking. De eerste, de zwaartekracht, is de meest bekende, maar is niet opgenomen in het Standaardmodel. De natuurkundigen hebben nog niet uitgeknobbeld hoe dat moet; de effecten ervan bij deeltjesprocessen zijn te klein.
Met elektromagnetische krachten zijn we ook vertrouwd. Ze binden elektronen aan kernen zodat er elektrisch neutrale atomen bestaan. Atomen combineren zich tot moleculen of kristallen door elektromagnetische werking van de geladen deeltjes erin. De meeste krachten in het dagelijks leven, zoals ondersteuning door de vloer, en wrijving, ontstaan door elektromagnetische krachten in de materie: er is verzet tegen de verplaatsing van atomen of elektronen uit hun evenwichtspositie in het materiaal. Krachten tussen deeltjes worden beschreven met de uitwisseling van krachtvoerende deeltjes; voor elk type kracht is er zo'n wisselwerkingsdeeltje. Bij de elektromagnetische kracht is dit het foton. Gammastraling bestaat uit fotonen uitgezonden door atoomkernen bij overgangen tussen verschillende energietoestanden.
Bètaverval van atoomkernen is het zwakke proces dat het eerst werd waargenomen: in een kern met voldoende energie kan een neutron een proton worden onder uitzending van een elektron en een anti-elektronneutrino. Dit verval verandert het atoomnummer van de kern. Bètastraling bestaat uit bij bètaverval vrijkomende elektronen.
Nu hebben we dus de bètastraling en de gammastraling verklaard. Hoe zit het dan met de alfastraling? Het alpha-deeltje is een heliumkern, één van de producten van een kernsplijting. Splijting is het opbreken van een zware kern in kleinere kernen. Dit gebeurt als de som van de massa's van de dochterkernen kleiner is dan de massa van de moederkern. Het is een rest-effect van de sterke wisselwerking.
Welke vragen blijven over?Het Standaardmodel beantwoordt veel van de vragen over de structuur en de stabiliteit van de materie met zijn zes typen quarks, zes typen leptonen, en vier typen kracht.Maar het Standaardmodel laat veel andere vragen onbeantwoord. Waarom zijn er tweemaal drie typen quarks, en leptonen, met eenzelfde lading? Zit er een bepaald patroon in hun massa's? Zijn er meer typen deeltjes en krachten te ontdekken bij nog hogere energie? Zijn de quarks en leptonen echt fundamenteel, of hebben ook zij weer een inwendige structuur? Hoe kan de gravitatiekracht in het model opgenomen worden? Welke deeltjes vormen de 'donkere materie' in het heelal? Vragen zoals deze brengen deeltjesfysici ertoe weer nieuwe versnellers te bouwen en in werking te stellen, zodat botsingen bij nog hogere energie aanwijzingen kunnen geven voor de antwoorden. Zie verder Wikipedia: Standaardmodel en: Zwaartekracht (nieuwe verklaring). |
