Het Standaardmodel is een theorie in de deeltjesfysica die verklaart hoe de fundamentele deeltjes en krachten van het universum met elkaar interageren. Het combineert de kwantummechanica en de speciale relativiteitstheorie om een raamwerk te bieden voor het begrijpen van de structuur van materie op de kleinste schaal. Het Standaardmodel wordt ondersteund door experimenteel bewijs en is een van de meest rigoureus geteste theorieën in de wetenschap.
Het Standaardmodel beschrijft drie van de vier bekende fundamentele krachten in het universum: elektromagnetische, zwakke nucleaire en sterke nucleaire krachten. Het omvat niet de zwaartekracht, die wordt beschreven door de algemene relativiteitstheorie. Het model classificeert alle bekende elementaire deeltjes in twee hoofdgroepen: fermionen en bosonen.
Fermionen zijn de bouwstenen van materie. Ze zijn onderverdeeld in twee groepen: quarks en leptonen. Quarks zijn er in zes ‘smaken’: omhoog, omlaag, charmant, vreemd, boven en onder. Ze combineren op specifieke manieren om protonen en neutronen te vormen, die de kernen van atomen vormen. Leptonen omvatten elektronen, muonen, taus en hun overeenkomstige neutrino's. Elektronen draaien rond de atoomkern gevormd door protonen en neutronen, die de atomen vormen.
Bosonen zijn deeltjes die de fundamentele krachten tussen fermionen bemiddelen. Het foton ( \(\gamma\) ) is de drager van de elektromagnetische kracht, de W- en Z-bosonen bemiddelen in de zwakke kernkracht, en gluonen ( \(g\) ) dragen de sterke kernkracht. Het Higgs-deeltje ( \(H\) ) is een speciaal deeltje dat geassocieerd is met het Higgs-veld en dat massa geeft aan andere deeltjes.
De elektromagnetische kracht wordt beschreven door de theorie van de kwantumelektrodynamica (QED). Het is verantwoordelijk voor de interacties tussen geladen deeltjes door de uitwisseling van fotonen. De elektromagnetische kracht bindt elektronen aan atoomkernen en vormt atomen. De interactievergelijking voor de elektromagnetische kracht kan worden weergegeven als:
\( F = \frac{k e \cdot q 1 \cdot q_2}{r^2} \)waarbij \(F\) de kracht is, \(k e\) de constante van Coulomb is, \(q1\) en \(q_2\) de ladingen zijn, en \(r\) de afstand tussen de ladingen is.
De zwakke kernkracht is verantwoordelijk voor radioactief verval en bepaalde kernreacties. Het wordt gemedieerd door de W- en Z-bosonen. Een voorbeeld van een proces waarbij de zwakke kracht betrokken is, is bèta-verval, waarbij een neutron in de atoomkern verandert in een proton, waarbij een elektron en een elektron-antineutrino ( \(\bar{\nu}_e\) ) worden uitgezonden. De interactie kan worden weergegeven als:
\( n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e \)De sterke kernkracht bindt quarks samen om protonen en neutronen te vormen en houdt de atoomkern bij elkaar. Het is de sterkste van de vier fundamentele krachten, maar werkt over zeer korte afstanden. De sterke kracht wordt gemedieerd door gluonen en de sterkte ervan wordt beschreven door Quantum Chromodynamics (QCD). De kracht tussen quarks wordt gegeven door:
\( F_{strong} \propto \frac{1}{r^2} \textrm{ op korte afstanden} \)maar neemt toe met de afstand, waardoor quarks binnen protonen en neutronen worden opgesloten.
Het Higgs-mechanisme verklaart hoe deeltjes massa verwerven. Het stelt een veld voor, het Higgsveld, dat het universum doordringt. Deeltjes die interageren met dit veld winnen aan massa; hoe sterker de interactie, hoe zwaarder het deeltje. Het Higgs-deeltje is het gekwantiseerde deeltje dat bij dit veld hoort en werd in 2012 ontdekt bij de Large Hadron Collider (LHC) van CERN.
De voorspellingen van het Standaardmodel zijn door talrijke experimenten bevestigd. Opmerkelijke ontdekkingen zijn onder meer het top-quark (1995), tau-neutrino (2000) en het Higgs-deeltje (2012). De Large Hadron Collider (LHC) van CERN en de Tevatron-collider van Fermilab speelden een cruciale rol bij deze ontdekkingen. Deze experimenten omvatten botsende deeltjes met hoge energieën en het observeren van de uitkomsten, die inzicht verschaffen in de fundamentele bestanddelen van materie en de krachten die daarop inwerken.
Hoewel het Standaardmodel buitengewoon succesvol is geweest, kent het zijn beperkingen. Het verklaart niet de donkere materie en donkere energie van het universum, de asymmetrie tussen materie en antimaterie, of de zwaartekracht. Theorieën zoals supersymmetrie en snaartheorie stellen uitbreidingen van het standaardmodel voor om deze mysteries aan te pakken, maar experimenteel bewijs voor deze theorieën ontbreekt nog steeds.
Het lopende onderzoek in de deeltjesfysica heeft tot doel ons begrip van het universum te verdiepen, wat mogelijk kan leiden tot een meer omvattende theorie die alle vier de fundamentele krachten omvat en de onbeantwoorde vragen van het standaardmodel oplost.
