Deeltjesfysica Fundamentals

Het concept van fundamentele, ondeelbare deeltjes gaat terug naar de oude Grieken (een concept dat bekend staat als "atomisme"). In de 20e eeuw begonnen natuurkundigen het reilen en zeilen op de kleinste niveaus van materie te verkennen, en een van hun meest verbazingwekkende moderne ontdekkingen was het aantal verschillende deeltjes in het universum. De kwantumfysica voorspelt 18 soorten elementaire deeltjes en 16 zijn al experimenteel gedetecteerd. Elementaire deeltjesfysica beoogt de resterende deeltjes te vinden.

Het standaardmodel

Het standaardmodel van deeltjesfysica, dat elementaire deeltjes in verschillende groepen classificeert, vormt de kern van de moderne fysica. In dit model worden drie van de vier fundamentele krachten van de fysica, samen met ijkbosonen, de deeltjes beschreven die deze krachten bemiddelen. Hoewel zwaartekracht technisch niet is opgenomen in het standaardmodel, werken theoretische fysici aan het uitbreiden van het model met een kwantumtheorie over zwaartekracht.

Als er één ding is waar deeltjesfysici van genieten, deelt het deeltjes in groepen in. Elementaire deeltjes zijn de kleinste bestanddelen van materie en energie. Voor zover wetenschappers weten, lijken ze niet te zijn gemaakt van combinaties van kleinere deeltjes.

Materie en krachten afbreken

Alle elementaire deeltjes in de fysica worden geclassificeerd als fermionen of bosonen. Kwantumfysica toont aan dat deeltjes een intrinsieke niet-nul "spin" of hoekmomentum kunnen hebben, geassocieerd met hen.

Een fermion (genoemd naar Enrico Fermi) is een deeltje met een half-geheel getal spin, terwijl een boson (genoemd naar Satyendra Nath Bose) een deeltje met een geheel getal of geheel getal spin is. Deze spins resulteren in verschillende wiskundige toepassingen in bepaalde situaties. Eenvoudige wiskunde van het toevoegen van gehele getallen en halve gehele getallen toont het volgende:

• Het combineren van een oneven aantal fermionen resulteert in een fermion omdat de totale spin nog steeds een half-geheel getal zal zijn.
• Het combineren van een even aantal fermionen resulteert in een boson omdat de totale spin resulteert in een geheel getal.

fermionen

Fermionen hebben een deeltjesspin die gelijk is aan een half-geheel getal (-1/2, 1/2, 3/2, etc.). Deze deeltjes vormen de materie die we in ons universum waarnemen. De twee basisbestanddelen van materie zijn quarks en leptonen. Beide subatomaire deeltjes zijn fermionen, dus alle bosonen zijn gemaakt van een gelijkmatige combinatie van deze deeltjes.

Quarks zijn de klasse van fermion die de hadrons vormen, zoals protonen en neutronen. Quarks zijn fundamentele deeltjes die op elkaar inwerken door alle vier de fundamentele krachten van de fysica: zwaartekracht, elektromagnetisme, zwakke interactie en sterke interactie. Quarks bestaan ​​altijd in combinatie om subatomaire deeltjes te vormen die bekend staan ​​als hadronen. Er zijn zes verschillende soorten quark:

• Onderste Quark
• Vreemde Quark
• Down Quark
• Top Quark
• Bedel Quark
• Quark

Leptons zijn een soort fundamenteel deeltje dat geen sterke interactie ervaart. Er zijn zes soorten lepton:

• elektron
• Electron Neutrino
• muon
• Muon Neutrino
• tau
• Tau Neutrino

Elk van de drie 'smaken' van lepton (elektron, muon en tau) bestaat uit een 'zwak doublet', het bovengenoemde deeltje samen met een vrijwel massaloos neutraal deeltje dat een neutrino wordt genoemd. Het elektron-lepton is dus het zwakke doublet van elektron en elektron-neutrino.

bosonen

Bosons hebben een deeltjesspin die gelijk is aan een geheel getal (hele getallen zoals 1, 2, 3, enzovoort). Deze deeltjes bemiddelen de fundamentele krachten van de fysica onder kwantumveldentheorieën.

• Photon
• W Boson
• Z Boson
• gluon
• Higgs Boson
• Graviton

Samengestelde deeltjes

Hadrons zijn deeltjes die uit meervoudig aan elkaar gebonden quarks bestaan, zodat hun spin een half-geheel getal is. Hadrons zijn verdeeld in mesonen (die bosonen zijn) en baryons (die fermionen zijn).

• mesonen
• baryonen
• kerndeeltjes
• Hyperonen: kortlevende deeltjes bestaande uit vreemde quarks

Moleculen zijn complexe structuren samengesteld uit meerdere aan elkaar gebonden atomen. De fundamentele chemische bouwsteen van materie, atomen zijn samengesteld uit elektronen, protonen en neutronen. Protonen en neutronen zijn nucleonen, het type baryon dat samen het samengestelde deeltje vormt dat de kern van een atoom is. De studie van hoe atomen aan elkaar binden om verschillende moleculaire structuren te vormen, is de basis van de moderne chemie.

Deeltjesclassificatie

Het kan moeilijk zijn om alle namen recht te houden in de deeltjesfysica, dus het kan nuttig zijn om aan de dierenwereld te denken, waar een dergelijke gestructureerde naamgeving misschien meer vertrouwd en intuïtief is. Mensen zijn primaten, zoogdieren en ook gewervelde dieren. Evenzo zijn protonen nucleonen, baryonen, hadronen en ook fermionen.

Het ongelukkige verschil is dat de termen vaak op elkaar lijken. Verwarrende bosonen en baryons zijn bijvoorbeeld veel eenvoudiger dan verwarrende primaten en ongewervelde dieren. De enige manier om deze verschillende deeltjesgroepen echt gescheiden te houden, is door ze gewoon zorgvuldig te bestuderen en voorzichtig te zijn met de naam die wordt gebruikt.

Uitgegeven door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.