Het Standaardmodel: Zoektocht naar de ultieme bouwstenen

Al sinds het ontstaan van de mensheid is men geïnteresseerd in hetgeen om ons heen en waarom alles is zoals het is. De oude Grieken dachten nog dat de vier elementen aarde, water, lucht en vuur de meest fundamentele bouwstenen waren. Tegenwoordig hebben we echter een veel uitgebreider model van de wereld om ons heen en de krachten die alles bij elkaar houden. Dit model is het standaardmodel van de deeltjesfysica, of kortweg: Het Standaardmodel.

Inhoud

• Inhoud
• Het atoommodel
• De quarks
• De leptonen
• Het begin van het standaardmodel

Het atoommodel

Atomen en elektronen

In de negentiende eeuw waren wetenschappers ervan overtuigd dat de meest fundamentele bouwstenen van het universum kleine, ondeelbare bolletjes waren, genaamd atomen. In die tijd dachten wetenschappers dat alles om ons heen was opgebouwd uit zo'n tachtig unieke elementen. Deze elementen werden geordend in het periodiek systeem (zie Afbeelding 1), bedacht door Dimitri Mendeleev. Het probleem met deze tachtig elementen was echter dat ze zich allemaal op een andere manier gedroegen. Dit riep de vraag op of dit betekende dat er ook tachtig verschillende atomen waren, voor ieder element één atoom. Of waren atomen misschien toch deelbaar en opgebouwd uit nog kleinere deeltjes? Het antwoord op deze vragen kwam in 1897 toen J.J. Thomson, een Engels natuurkundige, het eerste subatomaire deeltje ontdekte. Hij liet zien dat straling afkomstig van een kathode bestond uit deeltjes veel kleiner dan atomen en bovendien met een grote lading/massa verhouding. Deze deeltjes kennen we vandaag de dag als de elektronen en worden genoteerd als e.

Het Rutherford model voor atomen

Thomson stelde een model voor het atoom voor, waarbij de negatief geladen elektronen gelijkmatig verdeeld waren in een positief geladen bol. Echter, in 1911, ontdekte Ernest Rutherford, voormalig student van Thomson, dat de lading van atomen sterk geconcentreerd was in een kleine kern: de nucleus. Onder de begeleiding van Rutherford deden Hans Geiger en Ernest Marsden een serie experimenten, waarbij ze maten hoe een bundel alfadeeltjes verstrooide van gouden folie. Als Thomsons model voor het atoom zou kloppen, zouden de alfadeeltjes recht door het folie gaan en hooguit onder een minuscule hoek verstrooien. Wat ze echter vonden, was dat er ook alfadeeltjes waren welke een zeer sterke verstrooiing ervoeren. Uit deze gegevens ontwikkelde Rutherford een nieuw atoommodel, nu bekend als het Rutherford-model, waarbij de negatief geladen elektronen rond een positief geladen nucleus cirkelen. Vergelijk het met de planeten die rond de zon bewegen.

Ontdekking van proton en neutron

Rutherford, bekend als de vader van de kernfysica, deed tussen 1917 en 1919 een reeks experimenten, waarbij hij aantoonde dat men zuurstof kon maken door stikstof te bestralen met alfadeeltjes. Hij ontdekte bovendien dat bij dit proces telkens een waterstofkern vrijkwam. Dit positief geladen deeltje doopte hij in 1920 tot het proton. Daarnaast voorspelde hij het bestaan van een elektrisch neutraal kerndeeltje. Dit neutron werd vervolgens in 1932 onder zijn supervisie ontdekt door James Chadwick. Zowel van het proton als van het neutron werd in die tijd gedacht dat het de elementaire bouwstenen waren van alle chemische elementen, samen met het elektron.

De quarks

Onverklaarde fenomenen

Ondanks de ontdekkingen van het elektron, proton en neutron, waren er ook fenomenen die niet verklaard konden worden wanneer alleen deze drie deeltjes als de fundamentele bouwstenen beschouwd werden. Aan het begin van de twintigste eeuw ontdekten wetenschappers namelijk nieuwe deeltjes, welke de aarde continu bombardeerden in kosmische straling. Bovendien werd in de jaren 40 tot 60 een heel scala aan nieuwe en exotische deeltjes ontdekt in experimenten met deeltjesversnellers. Er werden deeltjes ontdekt als pionen, muonen en sigma's, welke allemaal van elkaar verschilden en welke niet verklaard konden worden door elektronen, protonen en neutronen als bouwstenen te gebruiken. In de jaren 60 waren er zo'n tachtig van deze subatomaire deeltjes bekend. Tegenwoordig kennen we er zelfs honderden. De ontdekkingen van deze deeltjes riep dezelfde vraag op als aan het eind van de negentiende eeuw: Zijn deze deeltjes allemaal daadwerkelijk elementaire deeltjes óf zijn ze zelf ook weer opgebouwd uit nóg veel kleinere deeltjes?

Zes quarks

Uiteindelijk kwam Murray Gell-Mann in 1964 met een theorie die mogelijk het antwoord gaf. Hij stelde dat het hele scala aan subatomaire deeltjes was opgebouwd uit slechts drie bouwstenen. Hij noemde deze drie deeltjes quarks en in zijn model zaten drie "smaken" quarks, namelijk de up, down en strange quarks. In nog minder dan een jaar nadat Gell-Mann zijn theorie bekendmaakte, voorspelden S. Glashow en J. Bjorken het bestaan van nog een vierde quark, de charm quark. In 1973 werd het vervolgens nogmaals uitgebreid tot een totaal van zes quarks toen M. Kobayashi en T. Maskawa het bestaan van de top en bottom quarks voorspelden. We noteren de quarks als u (up), d (down), c (charm), s (strange), t (top) en b (bottom). Zie ook Afbeelding 2. Tegenwoordig zijn alle zes smaken quarks waargenomen in experimenten met deeltjesversnellers.

Bouwstenen van hadronen

Met deze zes quarks konden alle hadronen verklaard worden. Hadronen zijn deeltjes die zijn opgebouwd uit twee of meer quarks en worden ingedeeld in twee families:

• Mesonen zijn deeltjes die zijn opgebouwd uit één quark en één antiquark. Een anti-quark is exact gelijk aan een quark, behalve dat het een tegengestelde lading heeft. Voorbeelden hiervan zijn de pion (up quark en antidown quark) en de kaon (up quark en antistrange quark).
• Baryonen zijn deeltjes die zijn opgebouwd uit drie quarks. De bekendste voorbeelden hiervan zijn de proton (twee up quarks en één down quark) en het neutron (twee down quarks en één up quark).

Opmerking: Murray Gell-Mann voorspelde in 1964 dat er naast mesonen en baryonen ook deeltjes zouden zijn die een combinatie van vier quarks en één antiquark waren. Deze deeltjes werden in '87 door Harry Lipkin gedoopt tot de familie van pentaquarks. Deze deeltjes werden echter pas voor het eerst in een deeltjesversneller gecreëerd in 2003 in Japan, maar omdat de resultaten niet gerepliceerd konden worden in andere versnellers, was het bestaan van de pentaquarks nog niet algemeen geaccepteerd. Pas op 13 juli 2015 werden tijdens het LHCb experiment in CERN opnieuw pentaquarks waargenomen bij het verval van bottom Lambda baryonen. Het is nog niet duidelijk of pentaquarks daadwerkelijk een aparte familie van hadronen is. Het is namelijk ook mogelijk dat ze een 'samensmelting' van meson en baryon zijn.

De leptonen

Het elektron

De quarks vertellen echter maar een deel van het verhaal. Er was namelijk nog altijd het elektron, welke volgens de theorieën niet opgebouwd kon zijn uit quarks. Sterker nog, tot op de dag van vandaag blijkt het elektron daadwerkelijk ondeelbaar te zijn. Het is dan ook niet verbazingwekkend dat het elektron in de lijst met elementaire deeltjes staat, samen met de zes quarks. Echter was men er nu nog altijd niet. In experimenten met radioactief betaverval, een proces waarbij een positron (het antideeltje van het elektron) uit de nucleus vrijkomt, ontdekten Clyde Cowan en Frederick Reines dat er bij dit proces nog een ander deeltje vrijkomt. Ze ontdekten een deeltje dat nauwelijks massa had en elektrische neutraal was. Het bestaan van dit deeltje was al eerder voorgesteld, omdat het nodig was om het betaverval te laten voldoen aan de wet van behoud van energie. Het gaat hier over het elektron neutrino (genoteerd als ν_e).

Broertjes van het elektron

Er werden ook nieuwe deeltjes geobserveerd in kosmische straling en experimenten met deeltjesversnellers. Twee van deze leken erg veel op het elektron, behalve dat ze een grotere massa hadden. Deze twee deeltjes werden het muon (μ) en het tau (τ) deeltje genoemd. Muonen werden al in 1936 ontdekt in kosmische straling door Carl D. Anderson en Seth Neddermeyer. Het tau deeltje werd pas ontdekt tussen '74 en '77 door Martin Lewis Pearl in een reeks van experimenten met deeltjesversnellers. Kort na de ontdekkingen van deze deeltjes werd ook het bestaan van een muon neutrino en een tau neutrino voorgesteld (opnieuw genoteerd als resp. ν_μ en ν_τ). Deze twee neutrino's werden respectievelijk ontdekt in 1962 en 2000. Het elektron, muon en tau, samen met de drie neutrino's noemen we leptonen. Net zoals de quarks bestaan er dus ook zes smaken leptonen. Zie ook Afbeelding 3.

Het begin van het standaardmodel

Verdelingen in generaties

De quarks en leptonen blijken samen al een groot deel van de fundamentele deeltjes te zijn en zijn alle twaalf opgenomen in wat we tegenwoordig het standaardmodel noemen. De zes verschillende smaken quarks en leptonen kunnen op verschillende manieren onderverdeeld worden. Ten eerste maken we een onderscheid in drie generaties: up en down quarks behoren tot de eerste generatie, charm en strange behoren tot de tweede generatie en top en bottom behoren tot de derde generatie quark smaken. Hetzelfde kunnen we doen bij de leptonen: elektron en elektron neutrino behoren tot de eerste generatie, muon en muon neutrino tot de tweede en tau en tau neutrino tot de derde generatie lepton smaken. Zowel bij de quarks als bij de leptonen geldt dat deeltjes in een hogere generatie een hogere massa hebben. In Afbeelding 3 geeft de eerste kolom de eerste generatie quarks en leptonen aan, de tweede kolom de tweede generatie en de derde kolom de derde generatie.

Verdeling op basis van lading

Een tweede verdeling die we kunnen maken is gebaseerd op de lading van de deeltjes. Zo verdelen we quarks in up-type quarks (up, charm en top, in de bovenste paarse rij in Afb. 3) en down-type quarks (down, strange en bottom, in de tweede paarse rij in Afb. 3). Up-type quarks hebben een elektrische lading gelijk aan +2/3 keer de elementaire lading (e), down-type quarks hebben een lading gelijk aan -1/3 e. Leptonen verdelen we in elektron-achtigen (elektron, muon en tau, in de eerste groene rij in Afb. 3) en neutrino's (de tweede groene rij in Afb. 3). De elektron-achtigen hebben elektrische lading -1e, de drie neutrino's zijn elektrisch neutraal.

IJkbosonen en het godsdeeltje

De quarks en leptonen vormen samen het grootste deel van de deeltjes van het standaardmodel. Zoals echter te zien is in Afbeelding 3, is het model nog niet helemaal ingevuld. We kennen namelijk ook nog de zogenaamde ijkbosonen, die ervoor zorgen dat krachten uitgewisseld kunnen worden, en het Higgs boson (het zogenaamde godsdeeltje), dat verantwoordelijk is voor de massa van deeltjes. In Afbeelding 4, waar de tabel volledig is ingevuld, staan deze respectievelijk in de rode vakken en in het gele vak. Het verhaal van deze deeltjes hoort echter meer thuis bij het verhaal over de fundamentele krachten.