Hart van de materie 19: Leptonen en bosonen

In het vorige deeltje belichtten we het eerste luik van het Standaardmodel van de Materie: de materiebouwende quarks. Er blijven nog twee soorten elementaire deeltjes over: de leptonen en de krachtvoerende bosonen.

Een congres in 1937 in Kopenhagen met heel wat Nobelprijswinnaars. Op de eerste rij onderscheiden we (van links naar rechts): Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Otto Stern, Lise Meitner, Rudolf Ladenburg en een onbenoemd gebleven collega. De middelste figuur, staand tegen de muur, is Léon Rosenfeld.
Bron: Gerhard Hund, zoon van onderzoeker Friedrich Hund, Wikipedia, CC BY 3.0

Leptonen

Naast de zes smaken van quarks zijn er evenveel smaken leptonen. Ook deze deeltjes worden opgesplitst in drie generaties, waarbij elke generatie bestaat uit een deeltje en het bijbehorende neutrino. Zo is er de eerste generatie die bestaat uit het elektron en het elektron-neutrino. De tweede bestaat uit het muon en het muon-neutrino, en de derde uit het tau-deeltje en het tau-neutrino.  Net zoals bij de quarks bestaat er voor elk lepton ook een antideeltje, met tegengestelde lading. Quarks kunnen interageren via de sterke kernkrachten, terwijl leptonen dit nooit doen. Leptonen hebben ook een spin, en doordat ze een lading hebben, wil dat zeggen dat ze ook een magneetveld op wekken.

De naam is afkomstig van het Griekse woord leptos, wat “klein” betekent. De term werd voor het eerst voorgesteld door de Belg Léon Rosenfeld, die zich baseerde op de toenmalige kennis over leptonen: het elektron, het muon en het antineutrino van Pauli. De naam werd minder toepasselijk toen het tau-deeltje verscheen. Over de ontdekking van de eerste drie deeltjes (elektron, elektron-neutrino en muon) hebben we het al eerder gehad. Het muon-neutrino werd in 1962 ontdekt door Leon Lederman, Melvin Schwartz en Jack Steinberger. Het tau-deeltje volgde tussen 1974 en 1977 door het werk van Martin Lewis Perl en zijn collega's van het Stanford Linear Accelerator Center en Lawrence Berkeley National Laboratory. Het tau-neutrino bleef verborgen tot het Fermi-lab in juli 2000 het verlossende bericht de wereld instuurde dat ook dat deeltje ontdekt was.

Al deze deeltjes samen (quarks, leptonen en bosonen) vormen
het Standaardmodel van de Materie. Bron: MeNS 89

 

Krachten en bosonen

De vier fundamentele krachten in de natuur zijn de zwaartekracht, de elektromagnetische krachten, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht.

Elektromagnetische krachten zijn krachten die spelen tussen geladen deeltjes. Hierbij ondervinden deeltjes in rust elektrostatische aantrekking, en gaan bewegende ladingen daarenboven gepaard met magneetvelden. De zwakke en sterke kernkrachten spelen op het niveau van de kerndeeltjes. De zwakke kernkrachten zijn daarbij verantwoordelijk voor het radioactief verval van de kern (vooral dan het produceren van b-stralen), terwijl de sterke kernkrachten de kerndeeltjes bij elkaar houden. Deze laatste zijn daarbij veel sterker dan de elektromagnetische afstoting tussen de protonen in de atoomkern. De zwaartekracht, ten slotte, de aantrekkingskracht tussen twee massa’s, is bij iedereen genoegzaam bekend. Nochtans is dit de zwakste van de vier.  

Deze fundamentele krachten komen tot stand doordat de materiedeeltjes andere, krachtvoerende deeltjes (de zogenoemde bosonen) uitwisselen met elkaar – zoals een team rugbyspelers de bal heen en weer gooit. Deze bosonen dragen daarbij energie over tussen de materiedeeltjes (en dat doen rugbyballen tot nader order nog niet).

De elektromagnetische krachten begrijpen we eigenlijk nog het best van allemaal. Het krachtvoerende deeltje is het foton, het deeltje waaruit elektromagnetische straling is opgebouwd.

De sterke en zwakke kernkrachten zijn de krachten die de processen in de kern beheersen: enerzijds is er de cohesie van de kern via de sterke kernkrachten, en anderzijds het verval van kerndeeltjes (en de productie van β-stralen) via de zwakke kernkrachten. De sterke kernkrachten binden de quarks samen tot protonen en neutronen. Hierbij wisselen de quarks een krachtdragend deeltje, een gluon, uit (denk aan het Engelse werkwoord to glue, kleven). Deze gluons dragen zelf ook een kleurlading, en door ze uit te wisselen veranderen quarks van kleurlading. Zo zal een rode quark een rode-antigroene quark kunnen uitstoten waardoor de rode lading van de quark verdwijnt en er een groene in de plaats komt. Een groene quark die die gluon opneemt, verliest zijn groene kleur (want antigroen en groen neutraliseren mekaar) en neemt de resterende rode kleurlading over.

 

Een rood-antigroen gluon bindt een rode en een groene quark.

 

De zwakke kernkrachten worden overgedragen via een ander deeltje, de W- en Z-bosonen. “Zwak” slaat op het feit dat deze krachten veel zwakker zijn dan andere fundamentele krachten: elektromagnetische krachten zijn 100 miljard (1011) keer sterker, en de sterke kernkrachten zijn zelfs 10 000 miljard (1013) maal sterker. De invloed van de zwakke kernkrachten blijft beperkt tot de atoomkern: ze zijn bijzonder zwaar (een massa van 80-90 GeV) en een levensverwachting van slechts 33×10−25 seconden.

Zwakke kernkrachten kunnen quarks van smaak laten veranderen: van up naar down, bijvoorbeeld. Dit veroorzaakt tegelijkertijd de transformatie van een proton in een neutron en omgekeerd. Neem bv. de transformatie op onderstaande figuur. Een neutron bestaat uit één up-quark en twee down-quarks (in symbolen: udd). Om in een proton (uud) te veranderen, moet dus een van de down-quarks van het neutron veranderen in een up-quark. Dit gebeurt door uitstoot van een W-boson, dat vervolgens uiteenvalt in een hoogenergetisch elektron (de β--straal) en een elektron- anti-neutrino.

Links: Verklaring voor β--verval: een neutron verandert in een proton, door toedoen van een W--boson. Bij deze interactie komen een elektron en een elektron-antineutrino vrij,
door verval van het boson.
Bron: Joel Holdsworth, Wikipedia, publiek domein.

Rechts: Ook muonen vervallen tot muon-neutrino’s door een W--boson uit te sturen. Dit boson vervalt dan weer tot een elektron en een elektron-antineutrino.
Bron: Thymo, Wikipedia, publiek domein

 

W-bosonen zijn er in twee vormen, het positief geladen W+ en negatief geladen W. Het Z-boson is elektrisch neutraal. Deze deeltjes werden ontdekt in 1983 in het CERN-laboratorium door Simon van der Meer en Carlo Rubbia, die hiervoor in 1984 de Nobelprijs voor Natuurkunde kregen.

Links: Simon Van der Meer (24 november 1925, Den Haag, Nederland - 4 maart 2011, Genève, Zwitserland), hier samen met Koningin Beatrix op Huis ten Bosch (op 25 januari 1985). Van der Meer studeerde technische fysica aan de TU Delft en behaalde zijn ingenieursdiploma in 1952. Na enkele jaren te hebben gewerkt bij Philips Research in Eindhoven maakte hij in 1956 de overstap naar het CERN. Daar ontwikkelde hij koeltechnologie, nodig om antiprotonen te verzamelen en deze te stabiliseren (als deel van de Super Proton Synchrotron). Deze was van dermate groot belang bij de ontdekking van de w/Z-bosonen, dat Van der Meer er in 1984 samen met Carlo Rubbia de Nobelprijs voor Natuurkunde voor kreeg.
Bron: Nederlands Nationaal Archief, 2.24.01.07 253-8884, CC BY-SA 3.0  (bewerkt)

Rechts: Carlo Rubbia (geboren 31 maart 1934, Gorizia, Friuli-Venezia Giulia, Italië) behaalde zijn doctoraatsdiploma aan de Universiteit van Pisa in 1958. Daarna trok hij naar de Verenigde Staten om onderzoek te doen naar het verval van muonen (aan Columbia University). Aangetrokken door de oprichting van het CERN keerde hij in 1960 terug naar Europa en zette aan dat instituut zijn onderzoek verder. Het was daar dat hij de W/Z-bosonen van de zwakke kernkracht ontdekte. In 1970 werd hij aangesteld als hoogleraar in Harvard, waar hij 18 jaar lang een semester per jaar doorbracht. In 1989 werd hij directeur-generaal van het CERN, tot 1993. Hij hield zich verder bezig met fundamentele vragen zoals de stabiliteit van het proton (waarvan de consensus is dat deze na een gemiddelde levensduur van 1032 jaar vervallen tot energie) en toegepaste vraagstukken (zoals nieuwe energietechnologieën (thoriumreactoren en methoden om zonne-energie te concentreren).
Bron: Markus Pössel, Wikipedia, CC BY-SA 3.0

 

En wat dan met die vierde kracht – de zwaartekracht? Men zou toch verwachten dat we die het best begrijpen, vermits we die al hanteren in berekeningen sinds de zeventiende eeuw van Isaac Newton. Niets is echter minder waar, toch niet op de schaal van atomen en elementaire deeltjes. Om te beginnen weten we nog steeds niet waarom deeltjes zwaartekracht ondergaan. Fysici vermoeden dat er nog een onbekend boson bestaat, dat dient om zwaartekracht over te dragen van partikel naar partikel. De zwaartekracht is op subatomair niveau echter zoveel zwakker dan de andere drie krachten (1038 maal zwakker dan de sterke kernkrachten, 1036 maal zwakker dan de elektromagnetische krachten en 1029 maal zwakker dan de zwakke kernkrachten). Dat maakt het bijzonder moeilijk om dit boson (het graviton?) waar te nemen.

Over het algemeen neemt men aan dat deze vier krachten verschillende verschijningsvormen zijn van één centrale unificerende kracht, die tot op heden nog niet is ontdekt. Voor de elektromagnetische krachten en de zwakke kernkrachten is inderdaad al aangetoond dat we die twee samen kunnen veralgemenen tot de elektrozwakke krachten. Consolidatie van deze laatste met de sterke kernkrachten heeft geleid tot het Standaardmodel van de Natuurkunde. Enkel de zwaartekracht ontsnapt nog aan deze zienswijze. Maar daar hebben we het in het volgende hoofdstuk nog over.

Voor we de sprong maken naar de eenentwintigste eeuw, moeten we nog even ons licht laten schijnen over een laatste element van het Standaardmodel: het Englert-Brout-Higgs-boson (afgekort: EBH-boson). Dit deeltje komt overal in het universum voor, en is gekoppeld aan een gelijknamig veld (te vergelijken met een elektrostatisch veld of een magneetveld). Het is ervoor verantwoordelijk dat de deeltjes die in het veld bewegen effectief een massa hebben, en dat deze massa afhangt van de mate waarin de deeltjes met dit veld interageren. Fotonen doen dit bijvoorbeeld in het geheel niet (en hebben dus ook geen massa); Z-bosonen, neutronen, elektronen, enz… interageren wel met het EBH-veld en hebben dus wel een massa. Die interactie kan je je nog het best voorstellen als volgt: neem aan dat het EBH-veld zich gedraagt als een laag siroop die over het universum ligt.  Elementaire deeltjes die zich doorheen het universum bewegen blijven meer of minder kleven aan die sirooplaag. En deze interactie tussen materie en EBH-veld vertraagt daardoor de materie: de materie krijgt als het ware een zekere inertie… en laat inertie nu net de belangrijkste eigenschap zijn die al sinds Newton wordt gekoppeld aan het hebben van massa!

Peter Higgs (links, 29 mei 1929, Bristol, Groot-Brittannië) en François Englert (rechts, geboren op 6 november 1932, Etterbeek (Brussel), België), de Nobelprijswinnaars voor Natuurkunde in 2013. Die prijs kregen ze voor het uitwerken van een theoretisch kader dat kan verklaren waarom elementaire deeltjes een massa hebben (zoals beschreven in de tekst). In feite deden ze dat niet alleen: in 1964 verschenen immers kort na elkaar drie publicaties in Physical Review Letters die alle drie aan dit kader bijgedragen hebben. De eerste paper (in augustus 1964) was van de hand van François Englert en Robert Brout. De tweede (in oktober 1964) was geschreven door Peter Higgs. De derde kwam van Gerald Guralnik, Carl Hagen, en Tom Kibble, in november 1964.

Het was wel wachten tot experimenten in 2012 (op de Large Hadron Collider van het CERN) vooraleer het bestaan van het Higgsboson ook effectief werd aangetoond. Alleszins vormt dit Brout–Englert–Higgs–Guralnik–Hagen–Kibble deeltje (en het mechanisme waarop het werkt) een noodzakelijke basis van het Standaardmodel, en zet het de deur open naar een theorie waarbij alle basiskrachten tot één basiskracht worden verenigd. Goed voor een Nobelprijs dus.
Bron: Bengt Nyman - Flickr: IMG_7502, CC BY 2.0

Robert Brout (14 juni 1928, New York, Verenigde Staten – 3 mei 2011, Linkebeek, België), de man die samen met Englert een van de drie cruciale papers schreef die het bestaan van het Higgsboson voorspelden. Doordat hij overleden was op het moment waarop de Nobelprijs werd toegekend, kon hij de prijs niet meer toegekend krijgen (ook niet postuum), omdat nu eenmaal in de reglementen staat dat enkel levende wetenschappers de prijs in ontvangst mogen nemen.
Bron: Pnicolet, Wikipedia, CC Y-SA 3.0

 

De drie cruciale papers over het Higgsboson uit 1964.

Bronnen:
Englert F. and Brout R. (1964) Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons Phys. Rev. Lett. 13, 321
Higgs P.W. (1964) Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons, Phys. Rev. Lett. 13, 508

Guralnik G. S., Hagen C. R. and Kibble T. W. B. (1964) Global Conservation Laws and Massless Particles, Phys. Rev. Lett. 13, 585

 

Terzijde – in populaire teksten wordt het Higgs-boson meestal aangeduid als het godsdeeltje (een bijnaam die de meeste natuurkundigen onmiskenbaar verachten). Maar waar komt dan die benaming dan vandaan? Die hebben we blijkbaar te danken aan Leon Lederman (Nobelprijs voor de Natuurkunde 1988). In een populair-wetenschappelijk boek uit 1993 vertelt hij zijn versie van de geschiedenis van de zoektocht naar de structuur van de materie, van Democritus tot aan de kwantumfysica. Hij legt ook daarin uit waar hij de naam voor het Higgsboson vandaan haalde:

This boson is so central to the state of physics today, so crucial to our final understanding of the structure of matter, yet so elusive, that I have given it a nickname: the God Particle. Why God Particle? Two reasons. One, the publisher wouldn't let us call it the Goddamn Particle, though that might be a more appropriate title, given its villainous nature and the expense it is causing. And two, there is a connection, of sorts, to another book, a much older one...

Met dat laatste boek bedoelde hij Genesis, het Boek van de Schepping. Maar daarvoor moet u het boek van Lederman maar lezen.

Bron foto Lederman: FNAL, Wikipedia, public domein. Boek: Leon M. Lederman and Dick Teresi [1993]. The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question? Boston: Houghton Mifflin Company. ISBN 0-61871-168-6.

 

Eenheid en verscheidenheid in het Standaardmodel

Vandaag de dag zijn er een 200-tal subatomaire deeltjes bekend. Binnen deze groep onderscheiden we om te beginnen de fermionen en bosonen. Fermionen zijn de deeltjes die de materie uitmaken (en hun antideeltjes, die de bouwstenen zijn voor antimaterie), bosonen zijn de deeltjes die de interacties tussen de fermionen uitvoeren. Fermions hebben overigens een spin die enkel een halftallig kwantumgetal kan hebben (1/2, 3/2, 5/2, ...). Het spingetal van bosonen is heeltallig.

Tevens maken we een onderscheid tussen enerzijds de elementaire deeltjes en anderzijds de hadronen (de deeltjes die uit elementaire deeltjes worden opgebouwd). De hadronen vallen uiteen in baryonen (deeltjes die zijn opgebouwd uit drie quarks en ook behoren tot de fermionen) en mesonen (opgebouwd uit een quark en een antiquark, en behorende tot de bosonen).

 

Overzicht van de groepen elementaire en samengestelde deeltjes.
Bron: MeNS 89

 

Bij wijze van voorbeeld: de opbouw van pionen

Het pion of π-meson is een subatomair deeltje, meer bepaald een hadron. Het bestaat uit twee quarks en is dus een meson. Het komt in drie varianten voor: positief (+), negatief (–) en ongeladen (0). De drie pionen worden onderscheiden door hun elektrische lading. Ook is er een klein verschil in massa; in alle andere eigenschappen zijn ze gelijk. Het neutrale pion π0 heeft de laagste massa, 134,9766 ± 0,0006 MeV/c², terwijl het positief geladen pion π+ en het negatieve π zwaarder zijn: 139,57018 ± 0,00035 MeV/c². De massa ligt dus tussen die van een lepton (bijvoorbeeld het elektron met 0,5 MeV/c²) en die van een baryon (zoals het neutron van 940 MeV/c²); dit is de reden waarom men de naam meson (Grieks voor midden) voor deze deeltjes heeft ingevoerd. De pionen zijn de lichtste mesonen.

Het pion wordt gezien als een samengesteld deeltje, bestaand uit een quark en een anti-quark. Alleen de lichtste twee typen quark, het up-quark u en het down-quark d, komen in het pion voor: π+ is te beschrijven als een gebonden toestand van u en anti-d, π is anti-u met d, en π0 is een gemengde toestand van u en anti-u en d en anti-d. Het neutrale pion is zijn eigen antideeltje, terwijl de geladen pionen elkaars antideeltje zijn. Pionen zijn geen lang leven beschoren: de vervaltijd van π+ en π is (2,6033 ± 0,0005) × 10–8 seconde; π0 vervalt zelfs al na gemiddeld (8,4 ± 0,6) × 10–17 seconde. De geladen pionen vallen (in 99,99% van de gevallen) uiteen in een (anti-) muon en een (anti-)muon-neutrino. De neutrale pionen vallen in 98,8% van de gevallen uiteen in twee fotonen en in bijna alle resterende gevallen als een elektron, een positron en een foton.

 

 

Geplaatst door Geert op 29/07/2017 om 21:28