miniatuur|De deeltjes van het standaardmodel|300px
Een subatomair deeltje is een deeltje dat kleiner is dan het atoom. Sommige subatomaire deeltjes kunnen deel uitmaken van atomen, andere komen alleen en worden in sterren, in het laboratorium of in andere buitengewone omstandigheden in het heelal gevormd. De deeltjes zijn kleiner dan 1 fm (10−15 m). Ze worden bestudeerd door de deeltjesfysica.
Inleiding Subatomaire deeltjes kunnen in elementaire en samengestelde deeltjes worden onderscheiden. Elementaire deeltjes zijn voor zover bekend niet verder op te delen in kleinere eenheden. Een samengesteld deeltje is opgebouwd uit twee of meer elementaire deeltjes.
Een ander onderscheid is de verdeling in fermionen en bosonen. Fermionen, deeltjes met halftallige spin, zijn de materiedeeltjes uit het heelal. Bosonen, deeltjes met heeltallige spin, bestaan maar tijdelijk voor het overbrengen van een kracht tussen de fermionen. De twee typen deeltjes gedragen zich verschillend. Fermionen moeten altijd alleen zijn in hun kwantumtoestand. Er draaien om een heliumkern onder normale omstandigheden twee elektronen, één met spin omhoog en één met spin omlaag. Een alfadeeltje is een heliumkern. Die eigenschap van fermionen wordt het uitsluitingsprincipe van Pauli genoemd. Bosonen daarentegen kunnen zich met een ongelimiteerd aantal in een en dezelfde kwantumtoestand bevinden. Zo is er voor fotonen geen limiet aan de sterkte van een laserstraal, dat wil zeggen aan het aantal fotonen waaruit de straal bestaat. De energieverdeling van een hoeveelheid fermionen is door de Fermi-Diracverdeling bepaald, die van bosonen door de Bose-Einsteinstatistiek.
Antimaterie Hieronder volgt een overzicht van subatomaire deeltjes en hun eigenschappen. Bijna ieder deeltje heeft een antideeltje, met dezelfde massa en spin, maar met de overige eigenschappen, die behouden grootheden worden genoemd, precies omgekeerd. Het positron of hetzelfde het anti-elektron heeft dezelfde massa 0,511 MeV en spin ½ als het elektron, maar tegengesteld aan het elektron leptongetal –1 en elektrische lading +1. Materie en de overeenkomstige antimaterie annihileren elkaar. Onder normale omstandigheden kan antimaterie maar kortstondig bestaan, doordat het maar kort duurt dat antideeltjes met deeltjes in contact komen. Het higgsboson is het antideeltje van zichzelf.
Elementaire deeltjes De elementaire deeltjes zijn de bouwstenen van alle materie. Het zijn de componenten van het standaardmodel van de deeltjesfysica, van het standaardmodel van materie en krachten, dat in de jaren 70 in de deeltjesfysica is ontwikkeld om de tot dan toe bekende deeltjes te verklaren. Het model voorspelde nog meer deeltjes, waarvan het merendeel sindsdien is ontdekt. Eén elementair deeltje uit het model, het graviton, is nog niet met zekerheid aangetoond. Dit is het boson dat volgens de theorie de zwaartekracht moet overbrengen.
In de loop van de tijd is de mening veranderd over welke deeltjes als elementair moeten worden beschouwd. Tot het begin van de 20e eeuw meende men dat atomen elementaire deeltjes waren, vandaar hun naam, van het Grieks voor ondeelbaren. Ernest Rutherford ontdekte in 1911 dat het atoom samengesteld was. Dat nucleonen uit quarks bestaan is pas in de jaren 60 door Murray Gell-Mann voorgesteld. Sindsdien worden ook de nucleonen niet meer als elementaire deeltjes beschouwd. Hoewel het niet is uitgesloten dat ook een quark uit kleinere deeltjes bestaat, uit preonen, heeft men hiervoor nog geen aanwijzingen gevonden.
Elementaire fermionen De fermionen uit het standaardmodel zijn de quarks en leptonen. Lepton komt van het Griekse λεπτός, leptos, fijn. Quarks en leptonen hebben spin ½, een halftallige spin en komen in drie generaties voor, in drie groepen. De deeltjes uit de eerste generatie zijn de meest voorkomende deeltjes. De overige zijn aanzienlijk zwaarder en ontstaan in hoogenergetische botsingen. Die zijn instabiel en vallen in deeltjes van de eerste generatie uiteen. Ondanks veel experimenten heeft men niet nog meer generaties van elementaire fermionen ontdekt.
{| class="wikitable" ! Generatie ! ! Deeltje ! Symbool ! Spin J ! Lading Q ! Leptongetal L ! Baryongetal B ! Massa (MeV) ! Vervaltijd (s) |- |rowspan="4"|eerste generatie |rowspan="2"|quarks | up |Align=center| | ½ | +2/3 | 0 | +1/3 | 1,5 – 4
| down |Align=center| | ½ | −1/3 | 0 | +1/3 | 4 – 8
|rowspan="2"|leptonen | elektron |Align=center| | ½ | −1 | +1 | 0 | 0,511 | > 1,5 × 1034 |- | elektron-neutrino |Align=center| | ½ | 0 | +1 | 0 | < 2,2 × 10−9
|rowspan="4"|tweede generatie |rowspan="2"|quarks | charm |Align=center| | ½ | +2/3 | 0 | +1/3 | 1150 – 1350
| strange |Align=center| | ½ | −1/3 | 0 | +1/3 | 80 – 130
|rowspan="2"|leptonen | muon |Align=center| | ½ | −1 | +1 | 0 | 105,7 | 2,197 × 10−6 |- | muon-neutrino |Align=center| | ½ | 0 | +1 | 0 | < 0,17
|rowspan="4" |derde generatie |rowspan="2" |quarks | top |Align=center | | ½ | +2/3 | 0 | +1/3 | 172500
| bottom |Align=center| | ½ | −1/3 | 0 | +1/3 | 4100 – 4400
|rowspan="2"|leptonen | tau |Align=center| | ½ | −1 | +1 | 0 | 1777 | 2,91 × 10−13 |- | tau-neutrino |Align=center| | ½ | 0 | +1 | 0 | < 15,5
De massa's zijn hier in mega-elektronvolt (MeV) uitgedrukt, de ladingen in de elementaire lading e en de spin in het elementaire impulsmoment . Behalve de bovengenoemde elektrische lading Q, leptongetal L en baryongetal B bestaan er nog meer behouden of gedeeltelijk behouden grootheden, maar die zijn voor bijna alle deeltjes gelijk aan 0. Deze eigenschappen horen bij de vier andere quarks dan de up- en de downquark. Charm C is +1 voor de charmquark en 0 voor andere deeltjes Vreemdheid S is −1 voor de strangequark en 0 voor andere deeltjes Top is +1 voor de topquark en 0 voor andere deeltjes Bottom is −1 voor de bottomquark en 0 voor andere deeltjes
Elementaire bosonen De bosonen uit het standaardmodel brengen drie van de vier fundamentele natuurkrachten over: de sterke kernkracht, de zwakke kernkracht en de elektromagnetische kracht. Bij iedere kracht hoort een krachtdeeltje, bij de zwakke kernkracht zijn dat er drie. Zo brengt het foton, het lichtdeeltje de elektromagnetische kracht over. Men ziet het foton als een bepaalde energietoestand van het elektromagnetische veld. Dat is met de andere krachtbosonen ook zo. Het Z-boson en de twee W-bosonen zijn door het standaardmodel voorspeld en later door Simon van der Meer en zijn medewerkers aangetoond. Het voorspelde higgsboson zorgt ervoor dat deeltjes massa hebben. Het graviton zou de zwaartekracht over moeten brengen, maar is nog steeds een hypothetisch deeltje en niet ontdekt.
{| class="wikitable" ! Kracht ! Deeltje ! Symbool ! Spin J ! Lading Q ! Massa (GeV) |- | elektromagnetische kracht | foton |Align=center| | 1 | 0 | 0 |- | sterke kernkracht | gluon |Align=center| | 1 | 0 | 0 |- |rowspan="3"| zwakke kernkracht | W-boson, positief |Align=center| | 1 | +1 | 80,4 |- | W-boson, negatief |Align=center| | 1 | −1 | 80,4 |- | Z-boson |Align=center| | 1 | 0 | 91,2 |- |rowspan="3"| anders in het standaardmodel | higgsboson, positief |Align=center| | 0 | +1 | 125,3 |- | higgsboson, negatief |Align=center| | 0 | −1 | 125,3 |- | higgsboson, neutraal |Align=center| | 0 | 0 | 125,3 |- | zwaartekracht | graviton |Align=center| – | 2 | 0 | < 7 × 10−41
Behalve de hier genoemde zijn er nog allerlei hypothetische bosonen, volgend uit ideeën over supersymmetrie, de theorie van alles of andere amendementen op het standaardmodel.
Samengestelde deeltjes De andere subatomaire deeltjes zijn de hadronen. Dat zijn samengestelde deeltjes die uit twee of drie quarks zijn opgebouwd en waarin de quarks door gluonen bij elkaar worden gehouden. De sterke kernkracht zorgt ervoor dat de quarks niet uit de deeltjes vrij kunnen komen. Hadron komt van het Griekse ἁδρός, hadros, dat sterk betekent. Een even aantal quarks levert een boson op, een oneven aantal een fermion. De meeste hadronen bestaan alleen uit up- en downquarks. Maar enkele ervan komen in gewone materie voor, de protonen, neutronen en pionen. Zwaardere deeltjes ontstaan weer alleen bij kernreacties of als kortdurende fluctuaties.
Samengestelde fermionen thumb|Een proton bestaat uit drie quarks.
De subatomaire, samengestelde fermionen bestaan uit een oneven aantal quarks of antiquarks, in de meeste gevallen drie. Deze worden door de sterke kernkracht aan elkaar gebonden. Dat zijn de baryonen. Baryon komt van het Griekse βαρύς, barys, zwaar. De twee eenvoudigste baryonen zijn stabiel. Dit zijn het proton, dat geheel stabiel is en het neutron, dat in ongebonden toestand na gemiddeld 886 seconde uiteen valt. De andere baryonen vervallen snel.
Van de alle mogelijke combinaties zijn er ruim 120 experimenteel onderzocht. Het zijn onder andere aangeslagen toestanden van verbintenissen van drie eerste-generatie-quarks, bijvoorbeeld de verscheidene Delta-baryonen. Er zitten in de andere baryonen een of meer quarks van de tweede generatie.
{| class="wikitable" |+ style="text-align:left;" | Baryonen, per groep ! Deeltje ! Symbool ! Quarks ! Spin J ! Lading Q ! Massa (MeV) ! Vervaltijd (s) |- | proton |Align=center| | | 1/2 | +1 | 938,3 | > 6,6 × 1036 |- | neutron |Align=center| | | 1/2 | 0 | 939,6 | 886 |- | N-baryonen |Align=center| | of | 1/2 – 11/2 | 0 of +1 | 1440 – 2600
| Delta-baryonen |Align=center| Δ | | 1/2 – 11/2 | +2/+1/0/−1 | 1232 – 2420
| Lambda-baryonen |Align=center| Λ | | 1/2 – 9/2 | 0 | 1116 – 2350
| Sigma-baryonen |Align=center| Σ | | 1/2 – 7/2 | +1/0/−1 | 1189 – 2250
| Xi-baryonen |Align=center| Ξ | of | 1/2 – 5/2 | 0 of −1 | 1315 – 2030
| Omega-baryonen |Align=center| Ω | | 3/2 | −1 | 1672 – 2250
Waar geen vervaltijd vermeld staat, is deze zeer kort. Behalve de hier genoemde groepen zijn nog andere baryonen onderzocht, zoals die met een charmquark of pentaquarks, waarin een anti-quark voorkomt en dat uit en anti- bestaat.
Samengestelde bosonen thumb|Een meson bestaat uit twee quarks.
De subatomaire, samengestelde bosonen bestaan uit twee quarks: een quark en een antiquark. Het zijn de mesonen. Meson komt van μέσος, mesos, midden, waarmee wordt bedoeld dat hun massa tussen die van de lichte leptonen en van de zware baryonen ligt. Mesonen worden door de sterke kernkracht aan elkaar gebonden. Ze zijn instabiel en vallen na korte tijd uiteen.
Van alle mogelijke combinaties zijn er ruim 135 experimenteel onderzocht. Het zijn onder andere aangeslagen toestanden van paren van een quark en een antiquark van de eerste-generatie, bijvoorbeeld de drie rho-mesonen. Andere mesonen bevatten een of twee quarks of antiquarks van de tweede generatie. Een antideeltje wordt aangeduid met een streepje, bijvoorbeeld . Gemengde toestanden of kwantummechanische superposities van verschillende toestanden worden weergegeven als de som of het verschil van zuivere toestanden.
{| class="wikitable" |+ style="text-align:left;" | Mesonen, per groep ! Deeltje ! Symbool ! Quarks ! Spin J ! Lading Q ! Massa (MeV) ! Vervaltijd (s) |- | pion, positief |Align=center| | | 0 | +1 | 139,6 | 2,603 × 10−8 |- | pion, negatief |Align=center| | | 0 | −1 | 139,6 | 2,603 × 10−8 |- | pion, neutraal |Align=center| | | 0 | 0 | 135,0 | 8,4 × 10−17 |- | eta-meson |Align=center| | | 0 | 0 | 548
| rho-mesonen |Align=center| | | 1 | +1/0/−1 | 776
| omega-meson |Align=center| | | 1 | 0 | 783
| meer lichte mesonen |Align=center| | zoals bij en | 0/1/2/3/4 | +1/0/−1 | 400 – 2340
| kaonen |Align=center| | | 0/1/2/3/4 | +1/0/−1 | 494 – 2045
| J/ψ-meson |Align=center| | | 1 | 0 | 3097 | 7,2 × 10−21 |- | B-mesonen |Align=center| | | 0 | +1/0 | 5279 – 6276
| D-mesonen |Align=center| | | 0/1/2 | +1/0/−1 | 1865 – 2459
| Ds -mesonen |Align=center| | | 0/1/2 | +1/0/−1 | 1968 – 2572
Waar geen vervaltijd vermeld staat, is deze kort. Behalve de hier genoemde groepen zijn nog andere mesonen onderzocht, zoals die met een bottomquark.
Websites