Voor we een beknopt overzicht geven van de classificatie van materie, lichten we even toe wat een classificatie precies is. Een classificatie is een logisch systeem dat opgebouwd is uit klassen. Een klasse is een abstracte entiteit die elementen bevat. De elementen worden onderverdeeld op basis van hun eigenschappen. Afhankelijk van de eigenschappen die de elementen bezitten, zijn ze lid van bepaalde klassen en van andere klassen niet. Dit logische systeem stelt ons in staat om onze mentale ordening van datgene wat bestaat in de wereld op een begrijpelijke en samenhangende manier weer te geven in taal.

Standaardmodel is een classificatie van materie. De eerste vraag die we ons stellen is dan: ‘wat is materie?’

Materie wordt in de fysica gedefinieerd als alles wat massa en volume heeft en ruimte inneemt. Dankzij Einsteins bekende formule E=mc2 weten we dat massa een soort opgesloten vorm is van energie. Energie kan omgezet worden in massa en massa kan omgezet worden in energie. In E=mc2 staat het symbool E voor energie, m staat voor massa en c staat voor de snelheid van het licht.

De snelheid van het licht is afgerond zo’n 300 000 kilometer per seconde, dat is ontzettend snel. Het kwadraat daarvan is nog veel sneller. Een piepklein beetje massa kan dus in ontzettend veel energie worden omgezet en er is ontzettend veel energie nodig om een piepklein beetje massa te produceren.

Het creëren van massa en het onderzoeken van de eigenschappen van materie is iets wat onder andere door CERN (de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek) wordt gedaan. Zij doen dat door middel van een gigantische deeltjesversneller: de Large Hadron Collider. Dankzij de LHC is het mogelijk om piepkleine stukjes materie (partikels) aan ontzettend hoge snelheden tegen elkaar te laten botsen. Tijdens die botsingen komen grote hoeveelheden energie vrij en die grote hoeveelheden energie doen soms nieuwe - nog voor ons onbekende - partikels ontstaan.

Het is de taak van deeltjesfysici om die partikels te bestuderen, ze namen te geven en te classificeren op basis van hun eigenschappen, zodat ze ondergebracht kunnen worden in een overzichtelijk model. Het resultaat van dat classificatieproces is het Standaardmodel.

Alle partikels die door fysici worden waargenomen, worden bestudeerd en geclassificeerd op basis van hun eigenschappen. Fysici delen partikels in op basis van vier eigenschappen. Die eigenschappen worden uitgedrukt door middel van een getal, zijnde hun hoofdkwantumgetal, hun baankwantumgetal, hun magnetisch kwantumgetal en hun spinkwantumgetal en die getallen worden uitgedrukt door middel van een symbool. Zo wordt het hoofdkwantumgetal uitgedrukt door het symbool n, het baankwantumgetal door het symbool l, het magnetisch kwantumgetal door het symbool ml en het spinkwantumgetal door het symbool ms.

Samengevat:

De classificatie van partikels gebeurt op basis van vier eigenschappen:

• hoofdkwantumgetal (n)
• baankwantumgetal (l)
• magnetisch kwantumgetal (ml)
• spinkwantumgetal (ms)

Die eigenschappen worden bestudeerd door onder andere de medewerkers van CERN. Zij doen dat met behulp van een gigantische deeltjesversneller: de Large Hadron Collider en andere belangrijke apparatuur zoals de ATLAS-detector en krachtige computers. 

Voorlopig beperken we ons tot de eigenschap 'spin'. Spin is het roteren van een deeltje rond zijn eigen as. De snelheid van de spin ligt per deeltje vast maar de richting van de spin kan variëren. Op basis van de spin-eigenschappen worden partikels onderverdeeld in twee klassen: de klasse van de fermionen en die van de bosonen.

Fermionen zijn de deeltjes waaruit materie is opgebouwd. Fermionen worden gekenmerkt door een half-integrale spin (ook wel halftallige spin genoemd). Dat betekent dat ze een spin hebben van halve getallen (1/2, 3/2, 5/2,...). Voorbeelden van fermionen zijn quarks en leptonen.

Bosonen zijn de dragers van de natuurkrachten die materie mogelijk maken. Zij worden gekenmerkt door een integrale of heeltallige spin (dat is een spin die bestaat uit volle getallen: 0,1,2,...). Een spin van 1 betekent dat het deeltje 360 graden moet draaien om opnieuw in zijn oorspronkelijke positie terecht te komen. Spin 2 betekent dat het deeltje 180 graden rond zijn eigen as moet draaien, spin 1/2 betekent dat het 720 graden rond zijn eigen as moet draaien enzovoort. Voorbeelden van bosonen zijn fotonen en W- en Z-partikels.[1]

Ieder subatomisch deeltje uit de standaardtheorie behoort tot een van die twee klassen.

Hier volgt een beknopt overzicht van de op dit moment van elkaar te onderscheiden deeltjes binnen de standaardtheorie, hun definities en enkele van hun eigenschappen.

Fermionen zijn partikels met een half-integrale spin. De klasse van de fermionen bestaat uit quarks en leptonen.

De klasse van de quarks bestaat uit de elementen: up, down, charm, strange, top, bottom en hun anti-deeltje anti-up, anti-down, anti-charm, anti-strange, anti-top, anti-bottom.

Eigenschappen van quarks:

Quarks komen altijd voor in groepjes, vrijwel nooit alleen. Groepjes van quarks worden hadronen genoemd. De combinaties van quarks waarin de groepen voorkomen, kunnen verschillen. Op basis van de verschillende composities hebben ze aparte namen gekregen. Baryonen zijn groepjes die bestaan uit drie quarks. Mesonen zijn groepjes die bestaan uit een quark en een anti-quark.

Enkele voorbeelden van baryonen:

Protonen: bestaan uit twee up-quarks en één down-quark (up, up, down)
Neutronen: bestaan uit één up-quark en twee down-quarks (up, down, down)

Enkele voorbeelden van mesonen:

Pionen: zijn opgebouwd uit een up-quark en een down anti-quark .
Anti-pionen: zijn opgebouwd uit een down-quark en een up anti-quark. (hier zijn de quark en anti-quark omgekeerd dan bij de pion)

Er zijn zes soorten leptonen: elektron, muon, tau, elektronneutrino, muonneutrino en tauneutrino. De klasse van de leptonen wordt onderverdeeld op basis van de eigenschap: elektrische lading. Er zijn leptonen met een elektrische lading: elektron, muon, tau. En er zijn leptonen zonder elektrische lading: elektronneutrino, muonneutrino, tauneutrino. Leptonen zonder elektrische lading worden neutrino’s genoemd. De klasse van de neutrino's bestaat dus uit: elektronneutrino, muonneutrino, tauneutrino.

Bosonen zijn partikels met een integrale spin. Het zijn de dragers van de natuurkrachten die materie mogelijk maken. 

Fysici onderscheiden vier natuurkrachten:

• de elektrozwakke kracht
• de elektrosterke kracht
• de elektromagnetische kracht
• de zwaartekracht

Ieder van die krachten heeft zijn eigen krachtdragende deeltjes:

W-partikels en Z-partikels zijn de krachtdragende deeltjes van de elektrozwakke kracht. Gluonen zijn de krachtdragende deeltjes van de elektrosterke kracht. Fotonen zijn de krachtdragende deeltjes van de elektromagnetische kracht. De graviton is het veronderstelde krachtdragende deeltje van zwaartekracht, maar omdat er nog geen bewijzen gevonden zijn die het bestaan van de graviton onderbouwen, wordt dit deeltje nog niet opgenomen in het Standaardmodel.

5. Conclusie

Schematisch ziet het Standaardmodel er op dit moment zo uit:

Verder is er de afgelopen jaren sprake geweest van het Higgsdeeltje, een nieuwe, pas recent waargenomen boson.

Voor meer informatie over de Higgsboson, klik hier.

Voetnoten

• 1. De foton is het krachtdragende deeltje van de elektromagnetische kracht, W- en Z-partikels van de zwakke kernkracht.