Deeltjes en krachten

Hoe groot het heelal ook is, uiteindelijk bestaat alles uit elementaire deeltjes. Nikhef bestudeert het universum van de allerkleinste tot de allergrootste schalen.

De kleinste bekende bouwstenen van de materie zijn kleiner dan een miljardste van een miljardste meter. Met experimenten bij deeltjesversnellers als de LHC op CERN en met andere experimenten kijken natuurkundigen tot aan deze schaal, en in de toekomst misschien daar voorbij.

Aan de andere kant staan de verste objecten in het heelal miljarden lichtjaren van de aarde, meer dan een miljoen miljard maal de afstand tot de maan. Huidige detectoren voor zwaartekrachtsgolven nemen botsende objecten in het heelal waar die honderden miljoenen lichtjaren ver weg zijn. Toekomstige detectoren zullen nog dieper in het heelal proberen te kijken.

Experimenten laten zien dat de wereld is opgebouwd uit een beperkt aantal bouwstenen, de elementaire deeltjes. Deze deeltjes en hun gedrag worden theoretisch beschreven door het Standaardmodel. Elk deeltje heeft tal van vaste eigenschappen, zoals bijvoorbeeld massa, lading en spin.

Materie is opgebouwd uit quarks en leptonen, waarvan drie generaties blijken te bestaan. Wisselwerkingen tussen deeltjes worden overgebracht via bosonen. Dit zijn speciale deeltjes die de sterke en zwakke wisselwerking en het elektromagnetisme overdragen. Het Standaardmodel kent twaalf quarks en leptonen, plus hun antideeltjes. Daarnaast zijn er vijf soorten bosonen, waaronder het higgsboson dat verklaart hoe deeltjes massa kunnen hebben.

De massa’s van de deeltjes lopen ver uiteen. Neutrino’s zijn vederlicht, maar een topquark weegt ongeveer evenveel als een heel goudatoom. Zware deeltjes zijn meestal instabiel en vervallen gemakkelijk naar lichtere deeltjes, die met detectoren geobserveerd kunnen worden.

Theoretisch natuurkundigen proberen met hun denkwerk, pen en papier en computers de eigenschappen en het gedrag van de kleinste deeltjes, ruimte en tijd steeds preciezer te vatten in wiskundige formules en modellen.

Ruimte en tijd worden met de relativiteitstheorie beschreven, terwijl onze huidige kennis van elementaire deeltjes is samengevat in het zogenoemde Standaardmodel. In deze quantumtheorie zijn deeltjes geen objecten, maar uitingen van velden op de allerkleinste schalen. Het model is wiskundig en ingewikkeld, maar kan ook in een paar formules worden samengevat.

Het werk van theoretici wordt gebruikt om de uitkomsten van bestaande of nieuwe deeltjesexperimenten te voorspellen. De resultaten van experimenten geven op hun beurt theoretici weer aanwijzingen voor verbeteringen en uitbreidingen van de theorie.

Eeuwen van experimenteel onderzoek hebben laten zien dat materie bestaat uit deeltjes. Met de komst van de deeltjesversnellers in de 20e eeuw werd het mogelijk om de fundamentele eigenschappen van deze deeltjes zelf te bestuderen, bijvoorbeeld op CERN bij Genève.

Als deeltjes hard op elkaar worden geschoten, komen ze zo dicht bij elkaar dat fundamentele natuurwetten een rol gaan spelen. Detectoren leggen de botsingen vast. Uit de sporen reconstrueren experimenteel natuurkundigen hoe de interacties verlopen en wat er precies gebeurd kan zijn.

Andere detectoren zoals in de astrodeeltjesfysica nemen kosmische deeltjes waar, zoeken naar donkere materie, of meten trillingen van ruimte en tijd, zogenoemde zwaartekrachtsgolven.

Al deze experimenten laten zien of er misschien onbekende verschijnselen een rol spelen, waarvoor de theorieën moeten worden verfijnd of verbeterd.