Icon up Overzicht

Standaardmodel

Onderwerp: Atoomfysica, Kern- & Deeltjesprocessen (vwo), Kernfysica, Quantumwereld

In de moderne natuurkunde is een oplossing gezocht voor een ingewikkeld probleem. Aanvankelijk zag het er naar uit dat er maar een klein aantal elementaire deeltjes waargenomen kon worden waarmee alle bekende atomen en moleculen beschreven konden worden. Met het elektron, het proton en het neutron konden alle elementen van het periodiek systeem en dan ook alle grotere moleculen samengesteld worden tot en met de levenscode van het DNA aan toe.

Verder onderzoek bracht echter een groot aantal "vreemde" deeltjes aan het licht: het werden er wel honderden. En natuurkundigen vermoeden dan al snel dat ze op de verkeerde weg zitten; zoveel deeltjes zouden beschreven moeten worden met een klein aantal bouwstenen.

Dat was de aanleiding tot de ontwikkeling van het Standaardmodel. Alleen met quarks en leptonen en wat deeltjes die de onderlinge krachten beschrijven, zouden alle andere opgebouwd moeten kunnen worden.

Het Standaardmodel in een schema. Credit: http://www.fis.uc.pt/

Er zijn zes quarks met wat wonderlijk aandoende namen up, down, charm, strange , top en bottom. Er zijn ook zes leptonen. Het bekendste is het elektron; daarnaast kennen we nog het muon, het taudeeltje, het elektronneutrino, het muonneutrino en het tauneutrino. Verder heeft elk deeltje ook nog een antideeltje dat aangegeven wordt met een liggend streepje boven de letter.

De drie generaties in dit schema zijn eigenlijk kopieën van elkaar, alleen hun massa is verschillend. Gewone materie, zoals jij en ik, bestaat uit deeltjes van de lichtste generatie. Zij worden samengesteld uit drie quarks, bijvoorbeeld het proton en het neutron (baryonen) en natuurlijk uit een lepton: het elektron.

Deeltjes, zoals bijvoorbeeld pionen, zijn opgebouwd uit twee quarks. De hoogenergetische (enkele honderden GeV) neutrino's die gemeten worden in het Antares project ontstaan waarschijnlijk bij het verval van dergelijke mesonen. In een reactievergelijking ziet dat er zo uit:

>

Een proton botst op een ander proton of heeft een interactie met een foton. Het resultaat is een pion dat vervalt naar twee gammafotonen. Of een pion dat verder vervalt naar een muon met een muonneutrino dat weer vervalt naar...

Als het ontstane neutrino de aarde bereikt en een interactie heeft met de bodem onder de detectoren kan de volgende reactie plaatsvinden:

>

Het neutrino (of antineutrino) reageert en veroorzaakt een lepton en een "cascade" van mesonen en baryonen. Als het muon vervolgens sneller gaat dan de lichtsnelheid in water ontstaat er het meetbare Cerenkovlicht.

Bij al deze reacties is er sprake van een aantal "regels" of behoudswetten net zoals de klassieke regels voor behoud van energie en behoud van impuls. Je moet dan de eigenschappen van deze exotische deeltjes wel kennen.

Meer informatie vind je op deze Nederlandse website: Moderne Natuurkunde op het VWO.

Een bijzonder detail: de krachten die werkzaam zijn tussen deze deeltjes kun je ook beschrijven met deeltjes, in plaats van met de gebruikelijke formules.

De vier natuurkrachten, de krachten die werkzaam zijn tussen deze deeltjes kun je ook beschrijven met deeltjes of fotonen.

De elektrische krachten die twee protonen op elkaar uitoefenen zijn in de klassieke natuurkunde te berekenen met de Coulombkracht:


waarin Qp de lading van een proton is, f een constante en r de onderlinge afstand.

Maar je kunt die krachtwerking net zo goed beschrijven met de uitwisseling van fotonen. Je kunt dus zien dat de optredende krachten bij de interacties in ons detectorveld uiterst klein Zijn Maar de interacties bij het ontstaan van neutrino's zijn werkelijk enorm.

Wil je alles weten over onderzoek naar neutrino's. Lees dan verder in Diepzeetelescoop kijkt naar neutrino's uit heelal.