Met fundamentele bouwstenen bedoelen we objecten die enkelvoudig en structuurloos zijn -- niet gemaakt van iets kleiners.
Al in de oudheid probeerde men de wereld begrijpelijk te maken, en terug te brengen tot iets fundamenteels. Men dacht dat alles was samengesteld uit de vier elementen: aarde, water, lucht, en vuur.
Democritus zei (ca. 400 v.C.):
We spreken van kleur,
we spreken van zoetheid,
we spreken van bitterheid,
maar in werkelijkheid zijn er atomen en lege ruimte.
Is het atoom fundamenteel?
Rond 1900 werden atomen opgevat als:
bolletjes, met porties elektrische lading er in (evenveel + als –).
atomen zijn naar chemische eigenschappen te rangschikken: het Periodiek Systeem van de elementen.
Dit gaf een aanwijzing dat atomen niet fundamenteel zijn.
met deeltjesstralen kon men "in de atomen kijken". De resultaten wezen er op dat atomen een inwendige structuur hebben, en geen harde of doorlatende bolletjes zijn.
Bijna alle massa van een atoom bleek te zitten in een heel kleine kern, die door de elektronenwolk wordt afgeschermd van de buitenwereld.
Later ontdekte men dat de kern is samengesteld uit:
postief geladen protonen (p+), en
Zijn protonen en neutronen dan wel fundamenteel?
De natuurkundigen hebben ontdekt dat protonen en neutronen samengesteld zijn uit nog kleinere deeltjes, "quarks" genoemd.
Voorzover we weten zijn deze quarks puntvormig, en niet opgebouwd uit andere deeltjes. Na veel experimenten en uitgebreid testen is nu de theorie:
quarks en elektronen zijn fundamenteel.
Dit zijn dan de bouwstenen van de gewone materie. Maar er is meer!
Als proton en neutron een diameter van 1 cm hadden, dan zouden elektronen en quarks kleiner zijn dan een haarbreedte, en dan zou de diameter van het hele atoom groter zijn dan de lengte van 30 voetbalvelden!
Een atoom is wel heel klein, maar de kern is nog tienduizend keer zo klein.
We weten niet precies hoe klein de quarks en de elektronen zijn, maar zeker nog weer tienduizend keer zo klein. Misschien zijn ze echt puntvormig.
Het is ook mogelijk dat quarks en elektronen uiteindelijk toch niet fundamenteel zullen blijken te zijn, maar opgebouwd uit andere deeltjes (zal dit dan nooit ophouden?).
Er zijn nu ongeveer 200 "elementaire deeltjes" ontdekt, maar de meeste zijn niet fundamenteel.
Om de deeltjes van elkaar te onderscheiden geeft men ze een letter als naam (ook uit hetGriekse alfabet), vaak gesierd met: een andere letter, +, 0, –, en/of streep.
De natuurkundigen hebben een theorie opgesteld, het Standaardmodel geheten, die de wereld beschrijft in termen van materie en krachten. Daarmee zijn de honderden deeltjes en hun ingewikkelde wisselwerking teruggebracht tot maar enkele deeltjes en krachten.
Protonen, neutronen en de meeste andere materiedeeltjes zijn samengesteld uit meer fundamentele deeltjes: de quarks.
Elektronen behoren tot een andere klasse van fundamentele deeltjes: de leptonen.
Bij de elektromagnetische kracht hoort het foton. Zo wordt elk type fundamentele kracht "gedragen" door een wisselwerkingsdeeltje.
Er zijn dus twee soorten deeltjes. Deeltjes van de materie (zoals het elektron, proton, neutron, quark), beïnvloeden elkaar door het uitwisselen van krachtvoerende deeltjes (zoals het foton).
Het Standaardmodel is een goede theorie: uitkomsten van experimenten kloppen met een ongelooflijke precisie, en voorspelde deeltjes zijn gevonden. Maar niet alles is ermee te verklaren: de zwaartekracht past er niet in.
De eerste groep materiedeeltjes die we hier bespreken zijn de leptonen. Het zijn er zes. Drie daarvan zijn elektrisch geladen, en wel: negatief.
Bekend is het elektron (e). De andere twee zijn: het muon (µ), en het tau-deeltje of tauon ().
Muon en tau zijn dus eigenlijk een soort elektronen, maar dan met veel meer massa. Ze zijnniet stabiel.
Bij deze drie leptonen horen hun moeilijk te vangen neutrino's (). Er is een elektron-neutrino, een muon-neutrino, en een tau-neutrino. Ze hebben geen elektrische lading, en een massa die heel klein is (of toch nul?).
Elk van de zes leptonen heeft zijn anti-lepton, met gelijke massa en tegengestelde lading.
Een elektron kan losgemaakt worden van een atoom: het zijn deeltjes die op zichzelf kunnen bestaan. Quarks komen alleen in groepjes voor, als bouwstenen van andere deeltjes.
Van de andere groep materiedeeltjes, de quarks, zijn er ook zes, maar de fysici spreken van drie paren: Up/Down, Charm/Strange, en Top/Bottom. Bij elk van deze zes quarks hoort een anti-quark.
Quarks zijn de bouwstenen van het proton, het neutron, en van vele andere deeltjes. En ze zitten daarin opgesloten, nooit kan een enkel quark vrijgemaakt worden uit zo'n groepje van 3 of 2.
Olifanten leven meestal in een kudde, en quarks bestaan alleen in groepjes van twee of drie.
Individuele quarks hebben een "gebroken" elektrische lading (2/3, –1/3). Maar deze gebroken ladingen worden nooit direct waargenomen, want quarks zijn nooit alleen. Ze vormen altijd samengestelde deeltjes, de hadronen *). De som van de elektrische quark-ladingen in een hadron is altijd een geheel getal.
De hadronen zijn in te delen in twee categorieën:
Baryonen: alle hadronen met drie quarks (qqq).
Bijvoorbeeld: het proton (uud), en het neutron(udd).
Mesonen: een quark () met een antiquark ().
Bij voorbeeld: een negatief pion, – is ().
Interessant is dat de hadron-massa groter is dan de som van de massa's van de samenstellende quarks!
Merk op dat zowel de quarks als de leptonen in drie paren zijn in te delen. De deeltjes van een paar hebben verschillende elektrische lading: +2/3 en –1/3, resp. 0 en –1. We spreken bij zo'n viertal van eengeneratie (of: familie) van fundamentele materiedeeltjes.
De massa is groter in een volgende generatie.
Alle zichtbare materie in het heelal is gemaakt van de eerste generatie van deeltjes: up- en down-quark, en elektron. Dit komt doordat deeltjes van de tweede en derde generatie instabiel zijn: ze vervallen heel snel in deeltjes van de eerste generatie.
In het dagelijks leven kunnen we de tweede en derde generatie van materiedeeltjes in ons heelal niet waarnemen. De vraag rijst dan: waarom zijn ze er?
Toen in 1947 het muon () werd ontdekt vroeg de natuurkundige I.I. Rabi: "Wie heeft dat besteld?".
Zolang we niet begrijpen waarom de hogere generaties (families) bestaan kunnen we de mogelijkheid niet uitsluiten dat er nog meer quarks en leptonen zijn, met nog grotere massa.
Of misschien zal uiteindelijk blijken dat quarks en leptonen toch niet fundamenteel zijn, maar samengesteld uit nog elementairdere deeltjes waarvan de wisselwerking tot uiting komt in de verschillende generaties van de materie.
In het kort zegt het standaardmodel zegt over de materiedeeltjes:
Fundamenteel: 6 quarks, 6 leptonen, met anti-deeltjes,
in 3 generaties, de eerste (u, d, e) met de minste massa.
Samengesteld: baryonen en mesonen,
samen de hadronen genoemd.