Deeltjesfysica is een tak van de natuurkunde die de aard bestudeert van deeltjes waaruit materie en straling bestaan. Hoewel de deeltjes niet met het blote oog zichtbaar zijn, zijn hun effecten inderdaad kolossaal op het universum. Dit vakgebied onderzoekt de kleinste bestanddelen van materie en hoe deze met elkaar omgaan. Het begrijpen van deze deeltjes en hun interacties helpt ons het universum op grote schaal te begrijpen.
Het Standaardmodel van de deeltjesfysica is een theorie die drie van de vier bekende fundamentele krachten in het universum beschrijft (de elektromagnetische, zwakke en sterke interacties, maar niet de zwaartekracht) en alle bekende elementaire deeltjes classificeert. Het verdeelt deeltjes in twee hoofdgroepen: fermionen en bosonen.
Fermionen zijn de bouwstenen van materie. Ze hebben een spin van een half geheel getal en gehoorzamen aan het uitsluitingsprincipe van Pauli, wat betekent dat geen twee fermionen tegelijkertijd dezelfde kwantumtoestand kunnen innemen. Fermionen worden verder onderverdeeld in leptonen en quarks.
Bosonen zijn deeltjes die krachten dragen en een gehele spin hebben. Ze houden zich niet aan het uitsluitingsprincipe van Pauli. Er zijn vier soorten bosonen in het standaardmodel:
In het universum zijn er vier fundamentele interacties die het gedrag van alle materie en energie bepalen. Het Standaardmodel verklaart er drie met succes:
Zwaartekracht, de vierde kracht, wordt nog niet beschreven door het Standaardmodel. Het wordt verklaard door de algemene relativiteitstheorie en wordt verondersteld te worden gemedieerd door een theoretisch deeltje dat bekend staat als het graviton.
Om deeltjesfysica te bestuderen, gebruiken wetenschappers grote machines , deeltjesversnellers genaamd, om deeltjes met hoge energieën te versnellen en met elkaar in botsing te brengen. Deze botsingen produceren nieuwe deeltjes en stellen onderzoekers in staat de eigenschappen van deze deeltjes te bestuderen.
De Large Hadron Collider (LHC) op CERN nabij Genève, Zwitserland, is 's werelds grootste en krachtigste deeltjesversneller. Het speelde een belangrijke rol bij de ontdekking van het Higgsdeeltje.
Kwantumveldentheorie is het theoretische raamwerk van de deeltjesfysica. Het combineert kwantummechanica en speciale relativiteitstheorie. QFT beschrijft deeltjes als aangeslagen toestanden van hun onderliggende velden. Fotonen zijn bijvoorbeeld excitaties van het elektromagnetische veld en elektronen zijn excitaties van het elektronenveld.
Voor elk deeltje bestaat er een antideeltje met de tegenovergestelde elektrische lading. Wanneer een deeltje zijn antideeltje ontmoet, vernietigen ze elkaar en produceren ze gammastraling. Antimaterie wordt gebruikt in medische beeldvorming en is een onderwerp van onderzoek om de onbalans tussen materie en antimaterie in het universum te begrijpen.
Neutrino's zijn extreem lichte, neutrale deeltjes die zeer zwak interageren met andere materie. Miljarden neutrino's passeren elke seconde door ons heen, meestal onopgemerkt. Neutrino's zijn afkomstig van de zon en andere astronomische bronnen. Ze zijn belangrijk voor het begrijpen van stellaire processen en de structuur van het universum.
Deeltjesfysica is een fascinerend en complex vakgebied dat de fundamentele componenten en krachten van het universum onderzoekt. Door experimenten met deeltjesversnellers zoals de LHC en theoretische raamwerken zoals het Standaardmodel en de Quantumveldtheorie blijven wetenschappers de mysteries van het universum ontdekken, deeltje per keer.
