Elementaire deeltjes zijn de kleinste bekende bouwstenen van het universum. Er wordt gedacht dat ze geen interne structuur hebben, wat betekent dat onderzoekers ze beschouwen als nuldimensionale punten die geen ruimte in beslag nemen. Elektronen zijn waarschijnlijk de meest bekende elementaire deeltjes, maar het standaardmodel van de natuurkunde, dat de interacties van deeltjes en bijna alle krachten beschrijft, herkent in totaal 10 elementaire deeltjes.
Elektronen en aanverwante deeltjes
Elektronen zijn de negatief geladen componenten van atomen. Hoewel wordt aangenomen dat ze nuldimensionale puntdeeltjes zijn, worden elektronen omringd door een wolk van andere virtuele deeltjes die constant in en uit knipperen, die in wezen als onderdeel van het elektron zelf fungeren. Sommige theorieën voorspellen dat het elektron een licht positieve pool en een licht negatieve pool heeft, wat betekent dat deze wolk van virtuele deeltjes daarom een beetje asymmetrisch zou moeten zijn.
Als dit het geval was, zouden elektronen zich anders kunnen gedragen dan hun antimaterie-dubbels, positronen, wat mogelijk vele mysteries over materie en antimaterie verklaart. Maar natuurkundigen hebben herhaaldelijk de vorm van een elektron gemeten en vonden dat het naar hun beste weten perfect rond was, waardoor ze geen antwoorden hadden op de raadsels van de antimaterie.
Het elektron heeft twee zwaardere neven, de muon en de tau. Muons kunnen worden gemaakt wanneer hoogenergetische kosmische stralen vanuit de ruimte de top van de atmosfeer van de aarde raken en een regen van exotische deeltjes genereren. Taus zijn nog zeldzamer en moeilijker te produceren, omdat ze meer dan 3.400 keer zwaarder zijn dan elektronen. Neutrino's, elektronen, muonen en taus vormen een categorie van fundamentele deeltjes die leptonen worden genoemd.
Quarks en hun eigenzinnigheid
Quarks, die protonen en neutronen vormen, zijn een ander type fundamenteel deeltje. Samen met de leptonen vormen quarks het materiaal waarvan we denken dat het er toe doet.
Ooit geloofden wetenschappers dat atomen de kleinst mogelijke objecten waren; het woord komt van het Griekse 'atomos', wat 'ondeelbaar' betekent. Rond de eeuwwisseling van de 20e eeuw bleken atoomkernen te bestaan uit protonen en neutronen. Vervolgens bleven deeltjesversnellers in de jaren vijftig en zestig een schare exotische subatomaire deeltjes onthullen, zoals pionen en kaons.
In 1964 stelden natuurkundigen Murray Gell-Mann en George Zweig onafhankelijk een model voor dat de innerlijke werking van protonen, neutronen en de rest van de deeltjesdierentuin zou kunnen verklaren, volgens een historisch rapport van het SLAC National Accelerator Laboratory in Californië. Binnen protonen en neutronen bevinden zich kleine deeltjes die quarks worden genoemd en die in zes mogelijke soorten of smaken voorkomen: omhoog, omlaag, vreemd, charme, onderkant en bovenkant.
Protonen zijn gemaakt van twee up-quarks en een down-quark, terwijl neutronen bestaan uit twee downs en een up. De up en down quarks zijn de lichtste soorten. Omdat meer massieve deeltjes de neiging hebben te vervallen tot minder massieve, zijn de op en neer quarks ook de meest voorkomende in het universum; daarom vormen protonen en neutronen de meeste materie die we kennen.
In 1977 hadden natuurkundigen vijf van de zes quarks in het lab geïsoleerd - omhoog, omlaag, vreemd, charme en bodem - maar pas in 1995 vonden onderzoekers van het Fermilab National Accelerator Laboratory in Illinois de laatste quark, de bovenste quark. Ernaar zoeken was net zo intens geweest als de latere jacht op het Higgs-deeltje. De top-quark was zo moeilijk te produceren omdat hij ongeveer 100 biljoen keer zwaarder is dan up-quarks, wat betekent dat er veel meer energie nodig was om deeltjesversnellers te maken.
De fundamentele deeltjes van de natuur
Dan zijn er de vier fundamentele natuurkrachten: elektromagnetisme, zwaartekracht en de sterke en zwakke kernkrachten. Elk van deze heeft een bijbehorend fundamenteel deeltje.
Fotonen zijn het meest bekend; ze dragen de elektromagnetische kracht. Gluonen dragen de sterke kernkracht en bevinden zich met quarks in protonen en neutronen. De zwakke kracht, die bepaalde kernreacties veroorzaakt, wordt gedragen door twee fundamentele deeltjes, de W- en Z-bosonen. Neutrino's, die alleen de zwakke kracht en zwaartekracht voelen, interageren met deze bosonen, en dus konden natuurkundigen eerst hun bestaan bewijzen met behulp van neutrino's, aldus CERN.
Gravity is hier een buitenstaander. Het is niet opgenomen in het standaardmodel, hoewel natuurkundigen vermoeden dat het een bijbehorend fundamenteel deeltje zou kunnen hebben, dat de graviton zou worden genoemd. Als er gravitonen bestaan, is het misschien mogelijk om ze te maken bij de Large Hadron Collider (LHC) in Genève, Zwitserland, maar ze zouden snel verdwijnen in extra dimensies, en een lege zone achterlaten waar ze zouden zijn geweest, volgens CERN. Tot dusver heeft de LHC geen aanwijzingen gezien voor gravitonen of extra afmetingen.
Het ongrijpbare Higgs-deeltje
Ten slotte is er het Higgs-deeltje, de koning van de elementaire deeltjes, die ervoor verantwoordelijk is dat alle andere deeltjes hun massa krijgen. Hunting for the Higgs was een grote onderneming voor wetenschappers die ernaar streefden hun catalogus van het standaardmodel te vervolledigen. Toen de Higgs in 2012 eindelijk werden opgemerkt, waren natuurkundigen verheugd, maar de resultaten hebben hen ook op een moeilijke plek achtergelaten.
De Higgs ziet er ongeveer precies uit zoals was voorspeld, maar wetenschappers hoopten op meer. Het standaardmodel is onvolledig; het heeft bijvoorbeeld geen beschrijving van de zwaartekracht en onderzoekers dachten dat het vinden van de Higgs zou helpen om te wijzen op andere theorieën die het standaardmodel zouden kunnen vervangen. Maar tot nu toe zijn ze leeg geraakt in die zoektocht.
Extra middelen:
