De basisprincipes van de elementaire deeltjesfysica

Het concept van fundamentele, ondeelbare deeltjes gaat terug op de oud Grieks (een concept dat bekend staat als "atomisme"). In de 20e eeuw begonnen natuurkundigen het reilen en zeilen op de kleinste niveaus van materie te onderzoeken, en onder hun meest verrassende moderne ontdekkingen was de hoeveelheid verschillende deeltjes in het universum. Kwantumfysica voorspelt 18 soorten elementaire deeltjes en 16 zijn al experimenteel gedetecteerd. Elementaire deeltjesfysica heeft tot doel de resterende deeltjes te vinden.

Het standaardmodel van de deeltjesfysica, dat elementaire deeltjes in verschillende groepen classificeert, vormt de kern van de moderne fysica. In dit model zijn drie van de vier fundamentele natuurkundige krachten worden samen met ijkbosonen de deeltjes beschreven die deze krachten mediëren. Hoewel zwaartekracht technisch niet is opgenomen in het standaardmodel, werken theoretische natuurkundigen eraan om het model uit te breiden met a kwantumtheorie van zwaartekracht.

Als er iets is waar deeltjesfysici van lijken te genieten, dan is het het verdelen van deeltjes in groepen. Elementaire deeltjes zijn de kleinste bestanddelen van materie en energie. Voor zover wetenschappers kunnen zien, lijken ze niet gemaakt te zijn van combinaties van kleinere deeltjes.

Alle elementaire deeltjes in de natuurkunde zijn geclassificeerd als een van beide fermionen of bosonen. De kwantumfysica toont aan dat deeltjes een intrinsieke niet-nulspin kunnen hebben, of impulsmoment, geassocieerd met hen.

Een fermion (genoemd naar Enrico Fermi) is een deeltje met een spin van een half geheel getal, terwijl een deeltje (genoemd naar Satyendra Nath Bose) een deeltje is met een geheel getal of een spin van een geheel getal. Deze spins resulteren in verschillende wiskundige toepassingen in bepaalde situaties. Eenvoudige wiskunde van het toevoegen van gehele en halve getallen laat het volgende zien:

• Het combineren van een oneven aantal fermionen resulteert in een fermion omdat de totale spin nog steeds een half geheel getal is.
• Het combineren van een even aantal fermionen resulteert in een boson omdat de totale spin resulteert in een geheel getal.

Fermionen hebben een deeltjesspin die gelijk is aan een half geheel getal (-1/2, 1/2, 3/2, etc.). Deze deeltjes vormen de materie die we in ons universum waarnemen. De twee basisbestanddelen van materie zijn quarks en leptonen. Beide subatomaire deeltjes zijn fermionen, dus alle bosonen zijn gemaakt uit een gelijkmatige combinatie van deze deeltjes.

Quarks zijn de klasse van fermion waaruit hadrons bestaan, zoals protonen en neutronen. Quarks zijn fundamentele deeltjes die interageren door alle vier de fundamentele krachten van de natuurkunde: zwaartekracht, elektromagnetisme, zwakke interactie en sterke interactie. Quarks bestaan ​​altijd in combinatie om subatomaire deeltjes te vormen die bekend staan ​​als hadronen. Er zijn zes verschillende soorten kwark:

• Bottom Quark
• Strange Quark
• Down Quark
• Top Quark
• Charm Quark
• Up Quark

Leptonen zijn een soort fundamenteel deeltje dat geen sterke interactie ervaart. Er zijn zes soorten lepton:

• Electron
• Electron Neutrino
• Muon
• Muon Neutrino
• Tau
• Tau Neutrino

Elk van de drie 'smaken' van lepton (elektron, muon en tau) is samengesteld uit een 'zwak doublet', het bovengenoemde deeltje, samen met een vrijwel massaloos neutraal deeltje dat a wordt genoemd neutrino. Het elektronenlepel is dus het zwakke doublet van elektron en elektron-neutrino.

Bosonen hebben een deeltjesspin die gelijk is aan een geheel getal (hele getallen zoals 1, 2, 3, enzovoort). Deze deeltjes bemiddelen de fundamentele krachten van de fysica onder kwantumveldentheorieën.

• Foton
• W Boson
• Z Boson
• Gluon
• Higgs Boson
• Graviton

Hadrons zijn deeltjes die zijn samengesteld uit meerdere aan elkaar gebonden quarks, zodat hun spin een half geheel getal is. Hadrons zijn onderverdeeld in mesonen (dat zijn bosonen) en baryons (wat fermionen zijn).

• Mesonen
• Baryons
• Nucleons
• Hyperons: kortlevende deeltjes bestaande uit vreemde quarks

Moleculen zijn complexe structuren die zijn samengesteld uit meerdere aan elkaar gebonden atomen. Atomen zijn de fundamentele chemische bouwsteen van materie en bestaan ​​uit elektronen, protonen en neutronen. Protonen en neutronen zijn nucleonen, het type baryon dat samen het samengestelde deeltje vormt dat de kern van een atoom is. De studie van hoe atomen aan elkaar binden om verschillende moleculaire structuren te vormen, is de basis van modern chemie.

Het kan moeilijk zijn om alle namen recht te houden in de deeltjesfysica, dus het kan nuttig zijn om aan de dierenwereld te denken, waar een dergelijke gestructureerde naamgeving bekender en intuïtiever kan zijn. Mensen zijn primaten, zoogdieren en ook gewervelde dieren. Evenzo zijn protonen nucleonen, baryons, hadronen en ook fermionen.

Het ongelukkige verschil is dat de termen de neiging hebben om op elkaar te lijken. Het verwarren van bosonen en baryons is bijvoorbeeld veel gemakkelijker dan het verwarren van primaten en ongewervelde dieren. De enige manier om deze verschillende deeltjesgroepen echt gescheiden te houden, is ze zorgvuldig te bestuderen en voorzichtig te zijn met de naam die wordt gebruikt.

Bewerkt door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.