fundamentele deeltjes

Hoe is de wereld
opgebouwd?
De uitdaging voor de
natuurkundigen.
Op zoek naar het fundamentele

Waarom hebben zoveel dingen in
deze wereld gelijke eigenschappen?
• Men is gaan beseffen dat de materie
opgebouwd is uit enkele fundamentele
bouwstenen van de natuur.
Geschiedenis


Empedocles
(5de eeuw voor C)
Democritos (400 BC)
• Materie bestaat uit ondeelbare deeltjes:
atomen.
quiz
Atoom betekent:
Middeleeuwen en renaissance

Nicolaus Copernicus,
• het heliocentrische model.
• revolutionair, omdat het inging tegen
het heersende dogma van het
wetenschappelijk gezag van Aristoteles
• een volledige wetenschappelijke en
filosofische omwenteling.
1500-1900

Na de Copernicaanse omwenteling
• wetenschappelijke theorieën niet
aanvaard kunnen worden zonder ze
rigoureus te testen.
• De communicatie tussen
wetenschapsbeoefenaars nam toe
• Dit leidde tot nieuwe ontdekkingen.

Waarneming en experiment werden
daarbij belangrijker gevonden dan
geloof in een autoriteit.
Galilei Kepler en Newton
Beweging van de planeten gevolg
van gravitatiekrachten
 Newton = grondlegger van de
klassieke mechanica

Faraday en Maxwell

Elektriciteit
• Faraday ontdekt principe van de
elektromotor en elektrolyse

Magnetisme
• Maxwell legde de basis voor het idee dat
licht een elektromagnetische golf is
Becquerel en Curie


Becquerel ontdekker radioactiviteit
De Curies zonderen als eersten
radioaktieve elementen af uit erts
Moderne fysica

Men dacht dat fundamentele principes
gekend waren.
• Atomen waren massieve bouwstenen
• Bewegingswetten van Newton
• Elektriciteit en magnetisme verklaard.

Maar de relativiteitstheorie van Einstein en
onderzoek naar radioactiviteit deden de
onderzoekers beseffen dat ze nog lang
niet klaar waren.
1900 Max Planck

Licht bestaat uit energiepakketjes
(=quantum) ook fotonen genoemd
Einstein
Licht gedraagt zich als een deeltje en
als een golf
 De lichtsnelheid is absoluut, tijd en
lengte zijn relatieve grootheden
 Massa kan omgezet worden in
energie en omgekeerd
 E=mc²

Heisenberg


Subatomaire deeltjes gedragen zich
niet volgens de wetten van de
newtoniaanse fysica, waarin alles
keurig kon voorspeld worden.
Deeltjes hebben een impuls (m.v),
maar hebben ook golfeigenschappen

Quantummechanica geeft de
wiskundige basis om het gedrag van
subatomaire deeltjes te voorspellen
onder de vorm van
waarschijnlijkheden.
Terug naar het begin … de geboorte van het Universum
van de Big Bang (Oerknal) tot het huidig Universum
Voor de Big Bang was er niets,
ook geen tijd en ruimte dimensies !!
Albert Einstein
We beginnen dus van niets… de geboorte van het Universum
Theorie : Alles begon uit één enkel punt met oneindig veel energie
• tijd  10-43 seconden
• energie  1019 GeV
• temperatuur  1032 K
• alle mogelijke deeltjes (ook
diegene die we nog niet kennen of
nog niet ontdekt hebben)
• alle krachten en deeltjes hadden
dezelfde eigenschappen ...
• Volledige symmetrie !!
Een korte periode van inflatie… snelle groei van het Universum
Big
Bang
10-35 s
10-10 s
• tijd  10-35 seconden
• energie  1016 GeV
• temperatuur  1027 K
• Het ganse Universum had een
grootte van ongeveer 1023 meter
na deze periode.
• Het Universum dat we vandaag
zien had toen een grootte van
ongeveer 3 meter !!!
10-4 s
100 s
300000 jaar
nu
Verdere groei van het Universum… symmetrie is bijna weg !
Big
Bang
10-35 s
10-10 s
• tijd  10-10 seconden
• energie  102 GeV
• temperatuur  1015 K
• Dit is de hoogste energie die we
vandaag in laboratoria kunnen
bekomen !!
10-4 s
100 s
300000 jaar
nu
Wel gekende neutronen en protonen worden gevormd
Big
Bang
10-35 s
10-10 s
• tijd  10-4 seconden
• energie  1 GeV
• temperatuur  1013 K
• Het Universum is even groot als
het zonnestelsel dat we vandaag
kennen !!
10-4 s
100 s
300000 jaar
nu
Kernen worden gevormd … protonen en neutronen combineren
Big
Bang
10-35 s
10-10 s
• tijd  100 seconden
• energie  10-4 GeV
• temperatuur  109 K
• Bijvoorbeeld Helium kernen
worden gevormd.
• Dezelfde situatie als vandaag in
sterren.
10-4 s
100 s
300000 jaar
nu
Lichtste atomen worden gevormd … Universum wordt transparant
Big
Bang
10-35 s
10-10 s
• tijd  300000 jaar
• energie  10-9 GeV
• temperatuur  104 K
• Licht kan zich vrij door het
Universum propageren zonder te
botsen met atomen.
• Sterrenkundige theoriën kunnen
vanaf hier toegepast worden.
10-4 s
100 s
300000 jaar
nu
Galaxiën en zware atomen worden gevormd
Big
Bang
10-35 s
10-10 s
• tijd  1 miljard jaar
• temperatuur  18 K
• Bijvoorbeeld ijzer atomen
worden gevormd.
• Nog geen menselijk leven
mogelijk.
10-4 s
100 s
300000 jaar
nu
Vandaag… de mensheid
Big
Bang
10-35 s
10-10 s
• tijd  15 miljard jaar
• temperatuur  3 K
• Chemische reacties overheersen
en moleculen worden gevormd met
atomen.
De mens begint zich af te
vragen van waar het allemaal
komt !!
10-4 s
100 s
300000 jaar
nu
Natuur : Het verhaal van de Big Bang tot vandaag
symmetrie
Elementaire deeltjes fysica of hoge energie fysica
Eén enkele theorie
die alles beschrijft
“chaos”
Sterrenkunde
Chemie
Biologie ...
Verschillende theorieën
beschrijven verschillende
aspecten van de Natuur
Het verhaal van de Big Bang tot vandaag
symmetrie
Experimenteel niet
toegankelijk vandaag :
andere theorieën trachten
deze periode te beschrijven
maar vandaag kunnen we
die nog niet verifiëren !!
“chaos”
vandaag
Eén theorie die alles
beschrijft tot ~200 GeV :
Het Standaard Model
CERN
Centre Européen pour la Recherche
Nucléaire
 In Zwitserland opgericht door
verschillende landen.
 Men gebruikt een deeltjesversneller
(cyclotron)
 Daardoor krijgen de deeltjes veel
energie. (zoals kort na big bang)

Rita Van Peteghem


Men versnelt deeltjes tot ze een
grote snelheid (bijna de
lichtsnelheid) hebben en laat ze dan
op elkaar botsen.
Tijdens de botsing vallen de deeltjes
uit elkaar in elementaire deeltjes .
- Deeltjesversnellers laten bij heel
hoge energieën toe nog veel dieper in
de materie door te dringen:

Rita Van Peteghem
Het standaardmodel voor de
materie

Wereld wordt beschreven in
• materiedeeltjes
• krachtvoerende pakketjes (quantum)
Materiedeeltjes

Quarks (vormen groepjes)
• Up (+2/3) charm (+2/3)
• down (-1/3) strange (-1/3)

Leptonen (blijven alleen)
• Elektron(-1) muon(-1)
• E-neutrino(0) m-neutrino(0)

top(+2/3)
bottom(-1/3)
tau(-1)
t-neutrino(0)
+ hun antideeltjes hebben dezelfde massa
maar een tegengestelde lading

Alle zichtbare materie
is gemaakt van
deeltjes van de eerste
generatie
Hadronen

Hadronen: de quark-groepjes
• Baryonen: alle hadronen met drie
quarks (qqq).
Bijvoorbeeld: het proton (uud), en het
neutron (udd).
• Mesonen: een quark met een antiquark
quiz

Hoeveel jaar weten we al dat er
meer is dan alleen protonen,
neutronen, elektronen en fotonen?
• 10?
• 30?
• 70?
• 100?

70jaar in1930 kende men neutrino’s
en muon
"waarvan is de wereld
gemaakt?"
Het antwoord is:
"quarks en leptonen
Nu komt de vraag:
"wat houdt de wereld bijeen?"

De wereld die we kennen kan alleen
verklaard worden door wisselwerking
van de fundamentele deeltjes:
• een aantrekkende of afstotende kracht
van een deeltje op een ander deeltje,
• verval van een deeltje in twee of meer
andere,
• annihilatie van een deeltje en zijn antideeltje.
quiz
Hoe heet dit beeldhouwwerk, en wie was de maker?
quiz
Welke bestaat uit quarks?
 Baryon
 Ja 3 quarks
 Baron
 Ja zelfs een echte edelman bestaat
uit quarks
 Lepton
 Neen

wisselwerking

Gravitationele wisselwerking
• Zeer zwak
• Boodschapperdeeltje is graviton
• Twee massa’s trekken elkaar aan, ze
wisselen gravitonen uit
• Zeer weinig over bekend op
subatomaire schaal
wisselwerking

Elektromagnetisme
• De krachten die men
dagelijks ervaart:
voorwerpen vallen niet uit
elkaar, wrijving,
normaalkracht enz
• Boodschapperdeeltje is foton
(licht bestaat ook uit
fotonen)
wisselwerking

Sterke wisselwerking
• Houdt quarks bij elkaar
• Boodschapperdeeltje=
gluonen.
wisselwerking

Zwakke wisselwerking
• Zorgt ervoor dat quarks
en leptonen vervallen in
lichtere deeltjes
• Uitwisselingsdeeltjes
zijn bosonen
quiz
Welke wisselwerking
veroorzaakt:
 Wrijvingskracht
 Elektromagnetische rest ww
 Planeetbanen
 Gravitatie tussen zon en planeet
 Betaverval
 Zwakke wisselwerking

verval

Behoudswetten
• Behoud
• Behoud
• Behoud
• Behoud
• Behoud

van
van
van
van
van
Bv β-verval
• n→p+ + e- + ve
lading
massa/energie
hoeveelheid beweging
baryongetal
leptongetal
annihilatie

Deeltje + antideeltje
levert energie die
dan later terug kan
omgezet worden in
een deeltje en een
antideeltje




Elektron en positron racen met veel
energie hun ondergang tegemoet.
Botsing en annihilatie, waarbij alle energie
vrijkomt.
Uit de energie is een foton of een boson
ontstaan, een boodschapperdeeltje
Een charm-quark en een charm-antiquark
ontstaan uit het boodschapperdeeltje