Als
we materie onder een steeds sterkere microscoop zouden bekijken zien
we dat materie opgebouwd is uit molekulen, dat molekulen
opgebouwd zijn uit atomen, dat atomen opgebouwd zijn uit een
kern met daaromheen elektronen, dat de kern opgebouwd
is uit protonen en neutronen, en dat de protonen en
neutronen opgebouwd zijn uit groepjes van 3 quarks.
Het Standaardmodel is een
theorie waarmee de fundamentele structuur van materie bijzonder goed
beschreven kan worden. Het is ook een onaangenaam ingewikkelde
theorie dus gaan we ons hier alleen beperken tot wat we nodig
hebben. Overigens, Gerard 't Hooft en Martin Veltman hebben zich
helemaal suf zitten rekenen om het Standaardmodel te ontdoen van
allerlei wiskundige tekortkomingen en hebben daarvoor in 1999 de
Nobelprijs gekregen. De theorie stelt dat materie opgebouwd is uit
in totaal 12 deeltjes, verdeeld over 2 groepen (leptonen en
hadronen of quarks) en 3 generaties. Daarnaast zijn er 4
wisselwerkingsdeeltjes die nodig zijn om deeltjes te laten reageren
(daarmee wordt bedoeld deeltjes laten ontstaan, laten verdwijnen of
laten vervallen). De twaalf deeltjes staan in onderstaand schema,
met links de quarks en rechts de leptonen:
Om het
leven niet al te ingewikkeld te maken komen alleen deeltjes uit de 1e
generatie voor. Dat zijn de deeltjes op de bovenste rij (een proton
bestaat uit twee up-quarks en één down-quark en een neutron bestaat
uit één up-quark en twee down-quarks). Deeltjes van de 2e
en 3e generatie kunnen wel ontstaan wanneer deeltjes uit
de 1e generatie met een enorme hoge energie op elkaar
knallen. En dat is precies wat in Cern gebeurd: deeltjes worden
eerst versneld tot vrijwel de lichtsnelheid bereikt is en dan laten
ze die deeltjes op elkaar knallen. Uit de energie die daarbij
vrijkomt kunnen deeltjes gevormd worden, omdat energie en massa aan
elkaar gerelateerd zijn volgens E = mc2. Wat de deeltjes
die ontstaan gemeen hebben is dat ze instabiel zijn en niet zo heel
lang in ons midden blijven: levensduren van minder dan
0,000.000.000.000.000.000.01 s zijn niet ongewoon. In Cern weten ze
als geen ander dat tijd geld is: hoe korter de tijd hoe meer geld!
Het blijkt vrij lastig te zijn om kortlevende deeltjes waar te nemen
...
De
wisselwerkingsdeeltjes worden bosonen genoemd. Het gluon
is het wisselwerkingsdeeltje dat verbonden is aan de sterke
kernkracht. Deze kracht zorgt ervoor dat positief geladen protonen
die elkaar afstoten toch bijeen gehouden kunnen worden in een kern.
Daarvoor moeten er in de juiste verhouding wel voldoende neutronen
aanwezig zijn. Bedenk hierbij dat het niet gaat om krachten tussen
protonen en neutronen maar om krachten tussen quarks waaruit
protonen en neutronen opgebouwd zijn. Het foton is het
wisselwerkingsdeeltje dat verbonden is aan elektromagnetische
wisselwerking (een duur woord voor licht). Voor de zwakke kernkracht
kennen we de W+, W- en Z
bosonen. Onder andere voor het ontdekken van deze deeltjes heeft
Simon van der Meer in 1984 de Nobelprijs gekregen. Als laatste
wisselwerkingsdeeltje wordt het graviton genoemd, verbonden
aan de gravitatiekracht (zwaartekracht). Probleem is echter dat die
kracht nog niet goed begrepen wordt en het graviton ook nog niet
aangetoond is.
Kosmische straling gaat
een aantal keren per seconden door ons lichaam. Kosmische straling
bestaat uit deeltjes die gevormd worden door verval van allerlei
deeltjes die ontstaan vooral door protonen uit het heelal die botsen
met atomen hoog in de atmosfeer. Eén van de deeltjes die zo ontstaat
is het muon. Het muon lijk heel erg op het elektron maar is 200 keer
zwaarder. Een muon leven ongeveer 2,2 miljoenste seconde voordat het
vervalt in een elektron, en elektron-neutrino en een muon-neutrino.
Muonen ontstaan uit
verval van andere kortlevende deeltjes. Sommige van deze deeltjes,
pionen, bestaan uit up- en down-quarks terwijl kaonen een derde type
quark bevatten: de strange quark. Muonen worden zo'n 60 km boven het
aardoppervlak gevormd en bewegen bijna met de lichtsnelheid.
Einstein's relativiteitstheorie verklaart waarom, ondanks een hele
korte levensduur, de muonen toch de aarde bereiken. Momenteel wordt
er vanuit het Project Moderne Natuurkunde, het Amstel Instituut en
het NIKHEF gewerkt aan de ontwikkeling van muonendetectoren voor het
voortgezet onderwijs. Het Kaj Munk College is hierbij ook betrokken.
-
Onopgeloste problemen:
-
Waar komt massa
vandaan? Deeltjes hebben verschillende massa's. Sommige
deeltjes hebben helemaal geen massa. In het Standaardmodel is
hierover een theorie opgenomen die massa van deeltjes verbindt
aan een wisselwerking waarbij het Higgs deeltje betrokken
is. Met de energie waarmee protonen versneld kunnen worden in de
LHC moet met mogelijk zijn het Higgs deeltje waar te nemen.
Blijkt het Higgs deeltje niet te bestaan moeten een aantal
natuurkundigen zich nog eens even stevig achter de oren krabbelen.
-
Waar bestaat dark
matter uit? Voor personen met overgewicht kan het geen kwaad
wat massa kwijt te raken. Astronomen denken groot en kijken dan
ook niet naar een paar kilootjes. De posities en beweging van
hemellichamen wordt bepaald door de gravitatiekrachten die
ertussen werken. Op basis daarvan kan berekend worden hoeveel
massa er aanwezig moet zijn in het heelal. En hieruit blijkt dat
meer dan 90% van de massa in het heelal zoek is! Wat we daarmee
bedoelen is dat die massa niet zichtbaar is (omdat het geen
enkele vorm van licht uitzendt). Deze massa wordt dark matter
genoemd. De rol van dark matter in de evolutie van het heelal is
nog volledig onbekend. In Cern hoopt men door experimenten met
de LHC hierover iets meer te kunnen ontdekken.
-
Waarom bestaan er
3 generaties van materie? Er komen 3 generaties van materie
voor maar alle stabiele materie bestaat uit up- en down-quarks,
elektronen en elektron-neutrino's. Waarom er meerdere generaties
zijn is nog een groot vraagteken.
-
Waar is alle
antimaterie? Uit experimenten in de deeltjesfysica is altijd
gebleken dat materie en anti-materie uit energie gevormd kunnen
worden, maar dan wel altijd in gelijke hoeveelheden. Wanneer
materie en anti-materie (bijvoorbeeld een proton en een
anti-proton) samen komen verdwijnen ze volledig waarbij ze
omgezet worden in fotonen (energie). Als dit bij de Oerknal ook
gebeurd is, waarom is dan niet alle materie verdwenen samen met
de anti-materie en is er niet alleen energie (fotonen) in het
heelal? Voor zover bekend is er geen anti-materie aanwezig in
het heelal. Er bestaan hier wel ideeën over. Ook hier moeten
experimenten met de LHC duidelijk over geven.
 |