Standaardmodel van de deeltjesfysica

Het standaardmodel van de deeltjesfysica is een theorie uit de deeltjesfysica waarin de krachten en deeltjes die alle materie vormen, worden beschreven. Experimenten hebben aangetoond dat deze theorie met de kwantummechanica en de speciale relativiteitstheorie in overeenstemming is. Het is echter geen allesbeschrijvende theorie van fundamentele interacties, hoofdzakelijk omdat het de zwaartekracht buiten beschouwing laat. In de jaren zeventig is het standaardmodel opgezet en men heeft hiermee veelvuldig de uitkomst van experimenten succesvol kunnen voorspellen. Vandaag is het standaardmodel een breed aanvaarde theorie die in veel gebieden toepasbaar is. Het standaardmodel voorspelde tot voor kort dat neutrino's massaloos zijn. De ontdekking van neutrino-oscillaties (het fenomeen waarbij neutrino's van de ene generatie in de ander omgezet worden) vereist echter dat deze een massa hebben.

De deeltjes van het standaardmodel

Families

In de fundamentele natuurkunde, in de deeltjesfysica in het bijzonder, komt het begrip familie veelvuldig voor. Zo kent men bijvoorbeeld:

• quarkfamilies, ook wel aangeduid als quarkgeneraties; er bestaan drie quarkfamilies van elk tweemaal twee leden, aangeduid als {up (u) - down (d)}, {charm (c) - strange (s)}, {top (t) - bottom (b))} en overeenkomstige antideeltjes.
• leptonfamilies, ook wel aangeduid als leptongeneraties; er bestaan drie leptonfamilies van elk tweemaal twee leden, aangeduid als ({elektron (e), elektronneutrino (ν_e}, {muon - muonneutrino (ν_μ)}, {tau - tauneutrino (ν_τ) en overeenkomstige antideeltjes.
• mesonfamilies; er bestaan tal van families van mesonen met - binnen een familie - overeenkomstige kwantumgetallen.
• hadronfamilies; er bestaan tal van families van hadronen met - binnen een familie - overeenkomstige kwantumgetallen.

Materiedeeltjes en krachtvoerende deeltjes

Wisselwerking tussen de deeltjes

Alle delen van het atoom bestaan uit fundamentele materiedeeltjes en krachtvoerende deeltjes. Materiedeeltjes hebben een halftallige spin, voldoen dus aan de Fermi-Diracverdeling en heten daarom fermionen. Ze zijn te onderscheiden in leptonen en quarks. Alleen elektron en up- en downquark zijn stabiel; dit zijn de bouwstenen van atomen. De overige, zware fermionen vervallen binnen enkele microseconden.

De krachtvoerende deeltjes hebben een gehele spin, voldoen dus aan de Bose-Einsteinstatistiek en heten daarom (intermediaire vector) bosonen. Ze zijn de overbrengers van de vier fundamentele natuurkrachten. De zwaartekracht met het gepostuleerde maar nog niet aangetoonde graviton valt voorlopig buiten het standaardmodel.

Er zijn ongeveer 200 subatomaire deeltjes bekend. Die worden aangeduid met een letter uit het Latijnse of Griekse alfabet, aangevuld met een andere letter, '+', '−', '0', '/' of een streep.

Schematisch overzicht van natuurkundige atomaire deeltjes
elementair	fermionen		quarks	up (quark + antiquark) • down (quark + antiquark) • charm (quark + antiquark) • strange (quark + antiquark) • top (quark + antiquark) • bottom (quark + antiquark)
			leptonen	elektron • positron • muon • antimuon • tau • antitau • elektron-neutrino • elektron-antineutrino • muon-neutrino • muon-antineutrino • tau-neutrino • tau-antineutrino
	bosonen		vector	foton • gluon • W- en Z-bosonen
			scalair	higgsboson
	spookvelden			Faddeev–Popov-spoken
	hypothetisch	superpartners	gaugnionen	gluino • gravitino • fotino
			overige	higgsino • neutralino • chargino • axino • sfermion (stop squark)
		overige		planckdeeltje • axion • dilaton • dual graviton • graviton • leptoquark • majoron • majorana • fermion • magnetische monopool • preon • steriel neutrino • tachyon • W′- en Z′-bosonen • X- en Y-bosonen
composiet	hadronen		baryonen / hyperonen	nucleon • proton • antiproton • neutron • antineutron • delta baryon • lambda baryon • sigma baryon • xi baryon • omega baryon
			mesonen / quarkonia	pion • rho meson • eta en eta prime meson • phi meson • J/psi meson • omega meson • upsilon meson • kaon • B meson • D meson
			exotische hadronen	tetraquark • pentaquark
	overige			atoomkern • atomen • Exotische atomen • positronium • muonium • tauonium • onia • superatomen • moleculen
	hypothetisch		hypothetische baryonen	hexaquark • skyrmion
			hypothetische mesonen	glueball • theta meson • T meson
			overige	mesonic molecuul • pomeron • diquark
quasideeltjes				davydov soliton • dropleton • exciton • hole ("elektrongat") • magnon • phonon • plasmaron • plasmon • polariton • polaron • roton • trion

Quarks en leptonen

De quarks en de leptonen zijn in drie generaties van materie in te delen:

De deeltjes van elke rij verschillen in de elektrische lading. De massa is groter in elke volgende generatie. We spreken bij zo'n viertal in één kolom van een generatie of familie van elementaire deeltjes.

Alle zichtbare materie in het heelal bestaat uit eerste-generatiedeeltjes: up- en downquark en elektron. Dit komt doordat deeltjes van de tweede en derde generatie instabiel zijn: ze vervallen heel snel in deeltjes van de eerste generatie.

Soort						Eerste generatie				Tweede generatie				Derde generatie
Soort fermion	Lading (e)	1e generatie	2e generatie	3e generatie		Deeltje	Symbool	Massa (GeV)		Deeltje	Symbool	Massa (GeV)		Deeltje	Symbool	Massa (GeV)
Quarks	+2⁄3	upquark	charmquark	topquark		Up	u	0,003		Charm	c	1,3		Top (truth)	t	174
	−1⁄3	downquark	strange quark	bottomquark		Down	d	0,006		Strange	s	0,14		Bottom (beauty)	b	4,3
Leptonen	−1	elektron-neutrino	muon-neutrino	tau-neutrino		Elektron	e−	0,000 51		Muon	μ−	0,106		Tau	τ−	1,784
	0	elektron	muon	tau		Elektron-neutrino	υe	< 15 × 10−8		Muon-neutrino	υμ	< 2,5 × 10−4		Tau-neutrino	υτ	< 3,5 × 10−2

Kwantumvelden

De deeltjes van het standaardmodel zijn geen deeltjes uit de klassieke mechanica maar kwantumdeeltjes, of beter: kwantumvelden. Elektronen zijn wel deeltjes met massa en lading, maar in een atoom zijn het geen kogeltjes die rond de kern draaien volgens de klassieke wetten van Newton en Coulomb, maar golfpatronen rond de kern. Kwantumdeeltjes beschrijven geen banen; het zijn velden met massa en lading waarvoor relativistische kwantumtheorie ontwikkeld wordt, een combinatie van elektromagnetisme en speciale relativiteitstheorie met niet-relativistische kwantummechanica. Het standaardmodel is vooral een kwantumveldentheorie waarin deeltjes en hun wisselwerking beschreven worden door wiskundige formules (lagrangianen) met een zeer compacte complexe notatie.^[1]

Het algemeen geaccepteerde en toegepaste deel van deze theorie is kwantumelektrodynamica (QED) dat fotonen, elektronen en stabiele ongedeelde atoomkernen beschrijft en zo de basis vormt van de chemie en materiaalkunde. Recenter zijn kwantumchromodynamica (QCD) en elektrozwakke wisselwerking om atoomkerndelen (gluonen, W en Z bosonen, quarks) en neutrino's in de theorie te betrekken om zo ook de eigenschappen van de vele instabiele deeltjes te verklaren die grote deeltjesversnellers produceren. Maar in de bekende Course of Theoretical Physics van Landau en Lifshitz zijn deze delen van het model nog niet opgenomen.^[2]

Zie ook Subatomair deeltje voor meer eigenschappen van de deeltjes uit het standaardmodel.

Zie ook Lijst van deeltjes uit de deeltjesfysica voor een compleet overzicht van alle deeltjes.