#deeltjes

In de wereld van vandaag is het krassen van krasloten een populaire bezigheid geworden. Wat echter vaak over het hoofd wordt gezien, zijn de milieueffecten die deze activiteit met zich meebrengt, vooral door de vrijgekomen krasspikkels. Hoewel één kraslot misschien onschuldig lijkt, resulteert de cumulatieve impact van miljoenen gekraste loten in een aanzienlijke hoeveelheid afval dat schadelijk…

kernfusie: de zon in huis

Fact of fictie is verledentijd niet meer van toepassing. Fictie is fact is meer van deze tijd en veel reëler. Op zoek naar onbeperkte energie. Maar dan ook echt onbeperkt.

Momenteel is men volop aan het werk een zon op aarde te creëren door middel van kernfusie. De reactor is gevuld met plasma waarin de verschillend geladendeeltjes rondgeslingerd worden tot ze op elkaar botsen en een kernexplosie…

Mystieke Reizen naar het kleinste deeltje

Dit artikel gaat over: Mystieke Reizen naar het kleinste deeltje

Mensen zijn steeds op zoek. Op zoek naar kennis, naar inzicht. Mensen willen weten. En daarom zijn er dagelijks vele duizenden wetenschappers in de weer om te bewijzen dat alle dingen die al bewezen zijn niet waar blijken te zijn. Gek toch. Hier een heel mooie video over het godsdeeltje.

[su_youtube_advanced…

We hebben de vraag beantwoord:

"waarvan is de wereld gemaakt?"

Het antwoord is:

"quarks en leptonen"

Waarbij quarks de bouwstenen zijn van het proton, het neutron, en van vele andere deeltjes.

En leptonen zonder elektrische lading of een negatieve: bekend is het elektron (e). De andere twee zijn: het muon (µ), en het tau-deeltje of tauon ().Muon en tau zijn eigenlijk een soort elektronen, maar dan met veel meer massa.

  En de wereld die we kennen kan alleen bestaan door wisselwerking van die fundamentele deeltjes:

een aantrekkende of afstotende kracht van een deeltje op een ander deeltje,

verval van een deeltje in twee of meer andere,

annihilatie (massa wordt omgezet in energie) van een deeltje en zijn anti-deeltje.

Vaak wordt de term "kracht" gebruikt in de zin van "een wisselwerking" (interactie). Het onderscheid is:krachtheeft een uitwerking op een deeltje door de aanwezigheid van een ander deeltje (is een aantal newton),wisselwerkingis een krachtsoort waarvoor een deeltje gevoelig kan zijn, of niet.Alle soorten krachten (veerkracht, wrijvingskracht, opwaartse kracht) kunnen begrepen worden met de vier fundamentele wisselwerkingen:

gravitatie-wisselwerking (zwaartekracht),

elektromagnetische wisselwerking (elektrische kracht, magnetische kracht),

sterke wisselwerking (kernkracht),

zwakke wisselwerking.

Een lastige vraag die natuurkundigen eeuwen heeft gekweld is: "hoe kunnen materiedeeltjes elkaar beïnvloeden op afstand?".

Als je de noordpolen van twee magneten dicht bij elkaar brengt voel je de afstotende kracht. En dit terwijl de magneten elkaar niet aanraken!

Hoe is dat mogelijk: een kracht uitoefenen op iets, zonder het aan te raken? Je kunt wel zeggen: "de magneten hebben een elektromagnetisch krachtveld", maar dat beantwoordt nog niet de vraag: "wat is de kracht van magneten op elkaar?". 

Hier zie je een analoge situatie.

Iemand vangt plotseling iets op dat je niet kunt zien, en hij krijgt een duwnaar achteren.

Om dit te verklaren kun je veronderstellen dat hij een basketbal opving, en dat hij op glad ijs staat.

Ook al kun je de basketbal niet zien, je ziet wel het effect van de bal op de speler.

Deze situatie is niet echt een model voor fundamentele krachten: aantrekking is hiermee niet te verklaren.  (Dit is waar Higgs om de hoek komt kijken)

Gebleken is: alle wisselwerkingen (ook wel: krachten) die invloed hebben op materiedeeltjes zijn toe te schrijven aan het uitwisselen van krachtvoerende deeltjes (wisselwerkingsdeeltjes).

In de analoge situatie van de basketbal zijn de spelers de materiedeeltjes, en is de basketbal het krachtvoerende deeltje.

Wat we gewoonlijk een "kracht" noemen is het effect van de wisselwerkingsdeeltjes op materiedeeltjes. 

Newton wees er al in de 17e eeuw op dat gravitatie het zonnestelsel bijeen houdt. En weer wenden fysici de blik af van het kleine: de sterren moeten uitkomst bieden. De grootste massa's zijn zwarte gaten en neutronensterren, en als daarmee iets heftigs gebeurt zou er gravitatiestraling opgevangen moeten kunnen worden met een nieuw soort detector. Daarna kan er waarschijnlijk meer gezegd worden over het voorspelde wisselwerkingsdeeltje, het"graviton".

De tweede fundamentele kracht is de elektromagnetische wisselwerking. Veel krachten die je regelmatig voelt zijn er aan te danken. Bijvoorbeeld: je zakt niet door een vloer, als deze maar voldoende veerkracht kan opbrengen. Deze ontstaat doordat atomen in het materiaal zich verzetten tegen verplaatsing uit hun evenwichtsstand.

Een belangrijke ontdekking was dat elektriciteit (met positieve en negatieve elektrische lading) en magnetisme (met noord- en zuidpool) twee aspecten zijn van een zelfde wisselwerking. 

Tegengesteld geladen voorwerpen trekken elkaar aan, zoals een proton en een elektron, en deeltjes met dezelfde soort lading stoten elkaar af.

Magnetisme is te verklaren met bewegende ladingen. 

Het krachtvoerende deeltje van de elektromagnetische wisselwerking is het foton (). Een stroom van fotonen kunnen we makkelijk waarnemen als elektromagnetische straling. Afhankelijk van hun energie is er sprake van: radio-, microgolf-, infrarood-, licht-, ultraviolet-, röntgen- of gammastraling. 

Antwoord: In een atoom zitten geladen deeltjes, en die oefenen krachten uit op de geladen deeltjes in een ander atoom. Zo kan het gebeuren dat het resultaat van al deze krachten samen een aantrekkende kracht is *).

Dus: er is een elektromagnetische rest-wisselwerking. Die maakt chemische reacties mogelijk: atomen kunnen zich met elkaar binden tot moleculen. En die doet een gas condenseren, een vloeistof stollen.

Deze kracht geeft de veerkracht en de wrijvingskracht die je kunt voelen. Ons lichaam kan zijn wonderlijke structuur houden dankzij de tegengestelde lading van proton en elektron!  Amazing, isn't it? 

Aan de sterke en de zwakke wisselwerking danken we: het bestaan van het spul waarvan het heelal is gemaakt, en de vervalprocessen die sommige soorten materie instabiel maken. Deze twee krachten hebben invloed op de kleinste dingen in de wereld, en op de grootste. 

De kracht die protonen en neutronen bij elkaar houdt in een atoomkern is te danken aan de sterke wisselwerking tussen de quarks. Behalve een elektrische lading (+2/3, –1/3) hebben deze nog een ander type "lading". Hiervan bestaan drie soorten, die elkaar samen opheffen, zoals + en – doen bij de elektrische lading. Gekozen is daarom voor de naam kleur-lading, met als soortnamen "rood", "groen" en "blauw" (samen "wit").

De kracht tussen deeltjes met kleurlading is heel sterk, vandaar de naam sterke kracht.

De krachtvoerende deeltjes heten "gluonen", naar het Engelse woord 'glue', omdat ze de quarks zo vast aan elkaar "lijmen" dat ze nooit los kunnen komen.  Niet alleen de quarks hebben kleur-lading, maar ook de gluonen.

Met fundamentele bouwstenen bedoelen we objecten die enkelvoudig en structuurloos zijn -- niet gemaakt van iets kleiners.

Al in de oudheid probeerde men de wereld begrijpelijk te maken, en terug te brengen tot iets fundamenteels. Men dacht dat alles was samengesteld uit de vier elementen: aarde, water, lucht, en vuur.

Democritus zei (ca. 400 v.C.):

We spreken van kleur, we spreken van zoetheid, we spreken van bitterheid, maar in werkelijkheid zijn er atomen en lege ruimte.

Is het atoom fundamenteel?

Rond 1900 werden atomen opgevat als:

bolletjes, met porties elektrische lading er in (evenveel + als –).

Maar: 

atomen zijn naar chemische eigenschappen te rangschikken: het Periodiek Systeem van de elementen. Dit gaf een aanwijzing dat atomen niet fundamenteel zijn.

met deeltjesstralen kon men "in de atomen kijken". De resultaten wezen er op dat atomen een inwendige structuur hebben, en geen harde of doorlatende bolletjes zijn.

Bijna alle massa van een atoom bleek te zitten in een heel kleine kern, die door de elektronenwolk wordt afgeschermd van de buitenwereld.

Later ontdekte men dat de kern is samengesteld uit:

postief geladen protonen (p+), en

ongeladen neutronen (n).

Zijn protonen en neutronen dan wel fundamenteel?

De natuurkundigen hebben ontdekt dat protonen en neutronen samengesteld zijn uit nog kleinere deeltjes, "quarks" genoemd.

Voorzover we weten zijn deze quarks puntvormig, en niet opgebouwd uit andere deeltjes. Na veel experimenten en uitgebreid testen is nu de theorie:

quarks en elektronen zijn fundamenteel.

Dit zijn dan de bouwstenen van de gewone materie. Maar er is meer!

Als proton en neutron een diameter van 1 cm hadden, dan zouden elektronen en quarks kleiner zijn dan een haarbreedte, en dan zou de diameter van het hele atoom groter zijn dan de lengte van 30 voetbalvelden!

Een atoom is wel heel klein, maar de kern is nog tienduizend keer zo klein.

We weten niet precies hoe klein de quarks en de elektronen zijn, maar zeker nog weer tienduizend keer zo klein. Misschien zijn ze echt puntvormig.

Het is ook mogelijk dat quarks en elektronen uiteindelijk toch niet fundamenteel zullen blijken te zijn, maar opgebouwd uit andere deeltjes (zal dit dan nooit ophouden?).

We blijven zoeken ...

Er zijn nu ongeveer 200 "elementaire deeltjes" ontdekt, maar de meeste zijn niet fundamenteel.

Om de deeltjes van elkaar te onderscheiden geeft men ze een letter als naam (ook uit hetGriekse alfabet), vaak gesierd met: een andere letter, +, 0, –, en/of streep. 

De natuurkundigen hebben een theorie opgesteld, het Standaardmodel geheten, die de wereld beschrijft in termen van materie en krachten. Daarmee zijn de honderden deeltjes en hun ingewikkelde wisselwerking teruggebracht tot maar enkele deeltjes en krachten.

Materiedeeltjes:

Protonen, neutronen en de meeste andere materiedeeltjes zijn samengesteld uit meer fundamentele deeltjes: de quarks.

Elektronen behoren tot een andere klasse van fundamentele deeltjes: de leptonen.

 Krachtvoerende deeltjes:

Bij de elektromagnetische kracht hoort het foton. Zo wordt elk type fundamentele kracht "gedragen" door een wisselwerkingsdeeltje.

Er zijn dus twee soorten deeltjes. Deeltjes van de materie (zoals het elektron, proton, neutron, quark), beïnvloeden elkaar door het uitwisselen van krachtvoerende deeltjes (zoals het foton).

Het Standaardmodel is een goede theorie: uitkomsten van experimenten kloppen met een ongelooflijke precisie, en voorspelde deeltjes zijn gevonden. Maar niet alles is ermee te verklaren: de zwaartekracht past er niet in.

Leptonen

De eerste groep materiedeeltjes die we hier bespreken zijn de leptonen. Het zijn er zes. Drie daarvan zijn elektrisch geladen, en wel: negatief.

Bekend is het elektron (e). De andere twee zijn: het muon (µ), en het tau-deeltje of tauon (). Muon en tau zijn dus eigenlijk een soort elektronen, maar dan met veel meer massa. Ze zijnniet stabiel.

Bij deze drie leptonen horen hun moeilijk te vangen neutrino's (). Er is een elektron-neutrino, een muon-neutrino, en een tau-neutrino. Ze hebben geen elektrische lading, en een massa die heel klein is (of toch nul?).

Elk van de zes leptonen heeft zijn anti-lepton, met gelijke massa en tegengestelde lading. 

Een elektron kan losgemaakt worden van een atoom: het zijn deeltjes die op zichzelf kunnen bestaan. Quarks komen alleen in groepjes voor, als bouwstenen van andere deeltjes. 

Quarks

Van de andere groep materiedeeltjes, de quarks, zijn er ook zes, maar de fysici spreken van drie paren: Up/Down, Charm/Strange, en Top/Bottom. Bij elk van deze zes quarks hoort een anti-quark.

Quarks zijn de bouwstenen van het proton, het neutron, en van vele andere deeltjes. En ze zitten daarin opgesloten, nooit kan een enkel quark vrijgemaakt worden uit zo'n groepje van 3 of 2.

Olifanten leven meestal in een kudde, en quarks bestaan alleen in groepjes van twee of drie.

Individuele quarks hebben een "gebroken" elektrische lading (2/3, –1/3). Maar deze gebroken ladingen worden nooit direct waargenomen, want quarks zijn nooit alleen. Ze vormen altijd samengestelde deeltjes, de hadronen *). De som van de elektrische quark-ladingen in een hadron is altijd een geheel getal.

De hadronen zijn in te delen in twee categorieën:

Baryonen: alle hadronen met drie quarks (qqq). Bijvoorbeeld: het proton (uud), en het neutron(udd).  Mesonen: een quark () met een antiquark (). Bij voorbeeld: een negatief pion, –   is ().

Interessant is dat de hadron-massa groter is dan de som van de massa's van de samenstellende quarks! 

Merk op dat zowel de quarks als de leptonen in drie paren zijn in te delen. De deeltjes van een paar hebben verschillende elektrische lading: +2/3 en –1/3, resp. 0 en –1. We spreken bij zo'n viertal van eengeneratie (of: familie) van fundamentele materiedeeltjes.

De massa is groter in een volgende generatie.

Alle zichtbare materie in het heelal is gemaakt van de eerste generatie van deeltjes: up- en down-quark, en elektron. Dit komt doordat deeltjes van de tweede en derde generatie instabiel zijn: ze vervallen heel snel in deeltjes van de eerste generatie. 

In het dagelijks leven kunnen we de tweede en derde generatie van materiedeeltjes in ons heelal niet waarnemen. De vraag rijst dan: waarom zijn ze er?

Toen in 1947 het muon () werd ontdekt vroeg de natuurkundige I.I. Rabi: "Wie heeft dat besteld?".

Zolang we niet begrijpen waarom de hogere generaties (families) bestaan kunnen we de mogelijkheid niet uitsluiten dat er nog meer quarks en leptonen zijn, met nog grotere massa.

Of misschien zal uiteindelijk blijken dat quarks en leptonen toch niet fundamenteel zijn, maar samengesteld uit nog elementairdere deeltjes waarvan de wisselwerking tot uiting komt in de verschillende generaties van de materie. 

Samengevat:

In het kort zegt het standaardmodel zegt over de materiedeeltjes:

Fundamenteel: 6 quarks, 6 leptonen, met anti-deeltjes,

in 3 generaties, de eerste (u, d, e) met de minste massa.

Samengesteld: baryonen en mesonen,