Het standaardmodel van de deeltjesfysica
In
1977 vatten de theoretische fysici alle kennis samen in het standaardmodel.
Volgens dit model bestaat alle materie uit twee soorten deeltjes: quarks en
leptonen. Daarnaast bevat het model nog krachtvoerende deeltjes. Er zijn zes
quarks met wat wonderlijk aandoende namen up, down, charm, strange , top en
bottom. Er zijn eveneens zes leptonen. Het bekendste is het elektron; daarnaast
onderscheidt men nog de bosonen; het muon, het tauon, het elektronneutrino,
het mounneutrino en het tauonneutrino. De quarks en leptonen worden gerangschikt
in drie families. De drie families zijn kopieën van elkaar; ze verschillen
alleen in massa. Gewone materie bestaat uitsluitend uit deeltjes van de lichtste
familie. De andere deeltjes kunnen alleen in het laboratorium geproduceerd worden.
Alle
quarks en leptonen hebben een antideeltje, dat in sommige opzichten een exacte
kopie is van het deeltje, in andere opzichten er het spiegelbeeld van vormt.
Zo hebben het elektron en het anti-elektron , het positron, dezelfde massa,
maar verschillende elektrische en magnetische eigenschappen.
Quarks
en anti-quarks zijn de bouwstenen van de elementaire deeltjes. Deze vallen in
twee groepen uiteen: de baryonen, die uit drie quarks bestaan en de mesonen,
die uit een quark en een anti-quark zijn opgebouwd. Voorbeelden van baryonen
zijn het proton en het neutron.
Daarnaast
onderscheidt men nog de bosonen. Dat zijn de krachtvoerende deeltjes van de
vier natuurkrachten. Elke kracht heeft zijn eigen karakteristiek boson. Alle
tot nog toe genoemde deeltjes zijn direct of indirect waargenomen, met één
uitzondering: het graviton, het krachtvoerend deeltje wordt op theoretische
gronden aangenomen , al was het maar omdat het wat vreemd zou uitzien als één
van de viernatuurkrachten géén boson zou kennen.
Naast
de quarks, leptonen en bosonen voorspelt het standaardmodel ook het bestaan
van het zogenaamde Higgs-deeltje. Ook dit deeltje is niet waargenomen, maar
wel noodzakelijk uit theoretische overwegingen. Men is er namelijk in geslaagd
aan te tonen dat de elektromagnetische kracht en de zwakke kernkracht in feite
twee vormen van één kracht zijn. Het Higgs-deeltje is nodig om
te verklaren dat het foton, de drager van de elektromagnetische kracht, geen
massa bezit, terwijl de W- en Z- bosonen van de zwakke kernkracht juist heel
zwaar zijn. Atomen
bevatten één type lepton, het elektron. De kern is opgebouwd uit
protonen en neutronen, die elk uit drie quarks bestaan.
Quarks
bestaan in zes typen, die ieder in drie kleuren voorkomen. De term "kleur" heeft
hier niets met de dagelijkse betekenis van het woord te maken. Het is alleen
een handige type- indeling , omdat men dan ook beeldende kleurcombinaties kan
uitzoeken. Zo kan men de anti-quarks met de complementaire kleur aanduiden.
Quarks en anti-quarks rangschikken zich steeds zo dat de combinatie" wit " is.
Een proton bijvoorbeeld bestaat uit twee up-quarks en een down-quark en steeds
zo dat er van iedere kleur één is. Welke precies de blauwe is
doet daarbij niet ter zake.
De werking van de sterke
kernkracht op schaal van de quarks. (A)
In het nucleon zitten de drie quarks dicht bij elkaar. Zij voelen geen kracht.
" Het elastiek tussen de quarks is slap".
(B)
Wanneer we proberen één van de quarks uit het nucleon te schieten
wordt de sterke kracht voelbaar. " Het elastiek tussen de quarks rekt uit".
(C)
Op een bepaald monent wordt de kracht zo groot, dat de energie die is opgeslagen
in het systeem wordt omgezet in massa: er vormen zich quark-antiquarkparen (q-(q)),
ofwel mesonen. " Het elastiek breekt in stukken en op de uiteinden zitten opnieuw
(anti)quarks".
(D)
In plaats van één losse quark, is een "jet" van nieuwe mesonen
gecreëerd uit de energie die in het systeem zat
Modellen van het heelal
Afhankelijk
van de hoeveelheid materie in het heelal, kunnen we verschillende heelalmodellen
onderscheiden. Heelalmodellen:
(a) parabolisch; (b)elliptisch; (c) hyperbolisch 1
Het elliptisch model: een eindig en pulserend heelal. Na een beperkte, maar
zeer lange tijd zal op de uitdijing een inkrimping volgen en stort het heelal
in elkaar. In zulk een heelal moet de dichtheid (Omega) groter zijn dan de kritische
dichtheid (Omega) of O = Omega> 1. De kritische dichtheid is die dichtheid
waarbij het heelal er vlak zou uitzien. 2
Het hyperbolisch model: een oneindig heelal, met een dichtheid die kleiner is
dan de kritische dichtheid (O < 1). Het heelal zal steeds blijven uitdijen,
zij het trager en trager. 3
Het parabolisch model: ook dit is een oneindig heelal, maar de dichtheid is
net gelijk aan de kritische dichtheid (O = 1). Dit kan men beschouwen als het
grensgeval tussen het elliptisch en het hyperbolisch model. Dit is het vlakke
heelal. De uitzetting zal vertragen en na een oneindige tijd stoppen. Er
zijn een aantal aanwijzingen die gaan in de richting van het parabolisch heelal.
Zo bevestigen de waarnemingen van COBE en van ballonvluchten het vlakke heelal.
De hoeveelheid gekende materie is hoogst onvoldoende om een gesloten heelal
te bekomen. Er is echter die onzichtbare, zogenaamde donkere materie. Men weet
niet in welke vorm ze aanwezig is en ook niet in welke hoeveelheid. Is het de
normale materie - bestaande uit protonen, elektronen en neutronen - die we kennen
of bestaan er exotische vormen van materie die we nog niet hebben ontdekt? Basisrecepten
van het standaardmodel 1
De fysicawetten zijn universeel. 2
Het heelal zet uit: roodverschuiving. 3
Het heelal is isotroop (ziet er in elke richting hetzelfde uit) en homogeen
(op zéér grote schaal, zeg van de grootte-orde een miljard lichtjaar,
is de verdeling van de materie gelijkmatig). 4
De gravitatie wordt nauwkeurig beschreven door de algemene relativiteitstheorie:
materie vervormt de ruimte. 5
Het vroege heelal was in een toestand van zeer hoge druk en temperatuur. 6
Het heelal is geëvolueerd. 7
Het heelal heeft een inflatieperiode gekend. Om
een aantal moeilijkheden van de klassieke Big Bang op te vangen, stelde A. Guth
in 1980 zijn inflatietheorie op. Volgens deze theorie zette het heelal eerst
geleidelijk uit maar na 10-35 seconde werd de uitzetting zéér
sterk versneld. Gedurende
een onnoemelijke fractie van een seconde werd het heelal 1030 maal groter, waarna
het heelal weer zijn geleidelijke uitzetting hervatte. Geen wonder dat het heelal
vlak lijkt te zijn, dat het homogeen en isotroop is. De inflatietheorie voorspelt
tevens dat Omega = 1 moet zijn en dat de temperatuurvariaties in de achtergrondstraling
aan de hemel van de grootte-orde 1° moeten zijn. En dat is nu net wat de
ballonexperimenten gevonden hebben. Voor
een vlak heelal is er een bepaalde hoeveelheid materie vereist. Men heeft slechts
5% hiervan gevonden in de vorm van sterren en sterrenstelsels. Misschien nog
eens 20 tot 25% bestaat uit de zogenaamde donkere materie. Wordt de resterende
75% dan vertegenwoordigd door de “donkere energie” ( de energie
van het vacuum of Einstein’s kosmologische constante)? Een wel zeer rare
vorm van afstotende kracht die er voor zorgt dat het heelal nu steeds sneller
gaat uitdijen! De
satelliet WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) heeft met voor het ogenblik
de grootste nauwkeurigheid de achtergrondstraling gemeten, vooral dan de grootte
en de verdeling van de fluctuaties hierin. De eerste resultaten zijn: 1
De oudste sterren waren er reeds een 200 miljoen jaar na de Big Bang, veel vroeger
dan men had verwacht. 2
De ouderdom van het heelal bedraagt 13,7 ± 0,2 miljard jaar. 3
De waarnemingen bevestigen de theorie van de Big Bang alsook de inflatie (het
heelal is dus vlak en Omega = 1). 4
De samenstelling van het heelal: gewone materie 4 % ± 0,4 %; donkere
koude materie (dus bijvoorbeeld geen neutrono’s) 23 % ± 4 % en
donkere energie (versnelt de uitzetting van het heelal) 73 % ± 7 %. 5
De Hubbleconstante bedraagt 71 ± 4 km/s.Mpc. Misschien
nog vreemder is een versie van de superstringtheorie, de M-theorie. Elementaire
deeltjes zijn in feite golfachtige vibraties van uiterst dunne zogenaamde strings.
Driedimensionale membranen (het ruimtelijk equivalent van een string) drijven
hierin in de vijfde dimensie (tijd is de vierde dimensie). Parallele branen
botsen (dit geeft een big bang) en drijven terug uit elkaar. Dit proces kan
zich herhalen in een voortdurende cyclus van creatie en destructie. Maar laat
ons wel wezen, alhoewel de superstringtheorie successen kent, die dan wel (nog)
steeds louter theoretisch zijn, ontbreekt elk experimenteel bewijs. Alle
massadeeltjes zijn het zelfde maar hebben verschillende vibraties. Het zijn"
strings ". Een electron, neutrino, photons en quarks zijn strings.
Tot op heden is men opzoek naar de Heilige graal van de fysica deze hoopt men
te vinden in het zo gezegde en veronderstelde Higgs-deeltje. Een string bestaat
uit 3 dementies plus de tijd 4 en 5 zijn compakte dementies van 9 tot 10 zijn
het opgevouwen dementies.
opgeslagen.
