Subatomaire deeltjes zijn de bouwstenen van het universum, componenten die kleiner zijn dan een atoom. Ze zijn van fundamenteel belang voor het begrijpen van de natuurwetten en de structuur van de materie. Gedurende deze les beginnen we met een verkenning van deze deeltjes, hun eigenschappen en hoe ze op elkaar inwerken, waarmee we de basis leggen voor een beter begrip van de deeltjesfysica.
Het Standaardmodel is de theorie die drie van de vier bekende fundamentele krachten in het universum beschrijft, exclusief de zwaartekracht, en classificeert alle bekende subatomaire deeltjes. Het categoriseert deze deeltjes in fermionen (materiedeeltjes) en bosonen (krachtdragers).
Fermionen zijn verder onderverdeeld in quarks en leptonen, terwijl bosonen fotonen, W- en Z-bosonen, gluonen en het Higgs-deeltje omvatten. Quarks vormen samen protonen en neutronen, de componenten van atoomkernen, terwijl leptonen elektronen bevatten die in een baan om de kern draaien.
Quarks zijn er in zes soorten of ‘smaken’: up, down, charm, weird, top en bottom. Ze ervaren alle vier de fundamentele krachten, inclusief de sterke kernkracht die hen bij elkaar houdt in protonen en neutronen. Quarks worden nooit geïsoleerd aangetroffen vanwege een fenomeen dat "kleurbeperking" wordt genoemd; ze bestaan in paren of in groepen van drie en vormen hadronen zoals protonen (twee up-quarks en één down-quark) en neutronen (twee down-quarks en één up-quark).
Leptonen daarentegen ervaren de sterke kernkracht niet. Het elektron is het bekendste lepton en wordt vaak aangetroffen in de wolk rond de atoomkern. Andere leptonen zijn onder meer de muon, tau en de overeenkomstige neutrino's, die vrijwel massaloos zijn en een zeer zwakke interactie met materie hebben.
Bosonen zijn deeltjes die de fundamentele krachten overbrengen. Het foton is de drager van de elektromagnetische kracht, terwijl de W- en Z-bosonen verantwoordelijk zijn voor de zwakke kernkracht, verantwoordelijk voor nucleaire vervalprocessen. De gluonen dragen de sterke kernkracht en houden quarks bij elkaar in protonen en neutronen. Het Higgsdeeltje, ontdekt in 2012 bij de Large Hadron Collider (LHC), wordt geassocieerd met het Higgsveld, dat massa aan deeltjes geeft.
Elk type deeltje in het standaardmodel heeft een overeenkomstig antideeltje, identiek in massa maar tegengesteld in andere eigenschappen, zoals elektrische lading. Wanneer deeltjes en antideeltjes elkaar ontmoeten, vernietigen ze en zetten hun massa om in energie volgens de vergelijking van Einstein, \(E = mc^2\) , waarbij \(E\) energie is, \(m\) massa is, en \(c\) is de snelheid van het licht.
Verschillende experimenten zijn cruciaal geweest voor ons begrip van subatomaire deeltjes:
QCD is de theorie die de sterke kernkracht verklaart, een van de vier fundamentele krachten, die opereert tussen quarks en gluonen. Het stelt dat quarks een eigenschap hebben die 'kleurlading' wordt genoemd en dat de uitwisseling van gluonen, die ook kleurlading dragen, de sterke kracht bemiddelt. De sterkte van de sterke kracht neemt af naarmate quarks dichterbij komen, een eigenschap die bekend staat als "asymptotische vrijheid".
De elektrozwakke theorie verenigt de elektromagnetische en zwakke kernkrachten in één enkel raamwerk. Het legt uit hoe deze twee krachten zich bij hoge energieniveaus (zoals die onmiddellijk na de oerknal) als één gedragen. De theorie voorspelt het bestaan van de W- en Z-bosonen, later experimenteel bevestigd.
Ondanks het succes is het Standaardmodel niet compleet. Het houdt geen rekening met de zwaartekracht, beschreven door de algemene relativiteitstheorie, en verklaart ook niet de donkere materie en donkere energie die het grootste deel van het universum vormen. Theorieën zoals supersymmetrie en snaartheorie stellen uitbreidingen van het standaardmodel voor, waarbij nieuwe deeltjes en concepten worden geïntroduceerd in een poging deze mysteries aan te pakken.
Kortom, subatomaire deeltjes, de meest fundamentele componenten van materie, zijn een integraal onderdeel van het begrijpen van de structuur van het universum en de onderliggende krachten die dit vormgeven. De studie van deze deeltjes, via theoretische raamwerken zoals het Standaardmodel en baanbrekende experimenten, blijft onze kennis van de kosmos uitdagen en uitbreiden.
