Standaard model. Wat een stomme naam voor de meest nauwkeurige wetenschappelijke theorie die de mensheid kent. Meer dan een kwart van de Nobelprijzen voor natuurkunde van de vorige eeuw werd toegekend aan werken die direct of indirect verband hielden met het standaardmodel. Haar naam is natuurlijk zo, alsof je voor een paar honderd roebel een verbetering kunt kopen. Elke theoretisch fysicus zou de "verbazingwekkende theorie van bijna alles" verkiezen, wat het werkelijk is.
Velen herinneren zich de opwinding onder wetenschappers en in de media over de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012. Maar de ontdekking ervan kwam niet als een verrassing en kwam niet uit de lucht vallen - het markeerde de 50e verjaardag van de winning streak van het standaardmodel. Het omvat elke fundamentele kracht behalve de zwaartekracht. Elke poging om het te weerleggen en in het laboratorium aan te tonen dat het volledig moest worden herwerkt - en dat waren er veel - mislukte.
Kortom, het Standaardmodel geeft antwoord op deze vraag: waar is alles van gemaakt en hoe past alles in elkaar?
De kleinste bouwstenen
Natuurkundigen houden van simpele dingen. Ze willen alles tot in de kern vernietigen, om de meest elementaire bouwstenen te vinden. Het is niet zo eenvoudig om dit te doen in de aanwezigheid van honderden chemische elementen. Onze voorouders geloofden dat alles uit vijf elementen bestaat: aarde, water, vuur, lucht en ether. Vijf is veel eenvoudiger dan honderdachttien. En ook fout. Je weet zeker dat de wereld om ons heen is gemaakt van moleculen, en moleculen zijn gemaakt van atomen. Chemicus Dmitry Mendeleev ontdekte dit in de jaren 1860 en presenteerde atomen in de tabel met elementen, die vandaag op school wordt bestudeerd. Maar er zijn 118 van deze chemische elementen: antimoon, arseen, aluminium, selenium … en 114 meer.
In 1932 wisten wetenschappers dat al deze atomen uit slechts drie deeltjes bestaan: neutronen, protonen en elektronen. Neutronen en protonen zijn nauw verwant aan elkaar in de kern. Elektronen, duizenden keren lichter dan zij, cirkelen rond de kern met een snelheid die dicht bij het licht ligt. Natuurkundigen Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg en anderen hebben een nieuwe wetenschap geïntroduceerd - kwantummechanica - om deze beweging te verklaren.
Het zou geweldig zijn om daar te stoppen. Slechts drie deeltjes. Het is zelfs gemakkelijker dan vijf. Maar hoe blijven ze bij elkaar? Negatief geladen elektronen en positief geladen protonen worden bij elkaar gehouden door de krachten van elektromagnetisme. Maar de protonen stuiteren in de kern en hun positieve ladingen zouden ze weg moeten duwen. Zelfs neutrale neutronen helpen niet.
Promotie video:
Wat bindt deze protonen en neutronen met elkaar? "Goddelijke interventie"? Maar zelfs een goddelijk wezen zou moeite hebben om elk van de 1080 protonen en neutronen in het universum bij te houden en ze vast te houden met wilskracht.
Uitbreiding van de dierentuin van deeltjes
Ondertussen weigert de natuur wanhopig om slechts drie deeltjes in haar dierentuin op te slaan. Vier zelfs, omdat we rekening moeten houden met het foton, het lichtdeeltje beschreven door Einstein. Vier veranderden in vijf toen Anderson positief geladen elektronen - positronen - meet die de aarde vanuit de ruimte raken. Vijf werden zes toen de pioen die de kern als geheel vasthield en voorspeld door Yukawa werd ontdekt.
Toen verscheen het muon - 200 keer zwaarder dan het elektron, maar verder zijn tweelingbroer. Het is al zeven. Niet zo makkelijk.
In de jaren zestig waren er honderden "fundamentele" deeltjes. In plaats van een overzichtelijk periodiek systeem waren er alleen lange lijsten van baryonen (zware deeltjes zoals protonen en neutronen), mesonen (zoals Yukawa-pionen) en leptonen (lichte deeltjes zoals elektronen en ongrijpbare neutrino's), zonder enige organisatie- of ontwerpprincipes.
En in deze afgrond werd het standaardmodel geboren. Er was geen inzicht. Archimedes sprong niet uit de badkamer en riep "Eureka!" Nee, in plaats daarvan hebben een paar slimme mensen halverwege de jaren zestig belangrijke aannames gedaan die dit moeras hebben veranderd, eerst in een eenvoudige theorie en vervolgens in vijftig jaar experimenteel testen en theoretische ontwikkeling.
Quarks. Ze hebben zes opties die we smaken noemen. Net als bloemen, gewoon niet zo lekker ruiken. In plaats van rozen, lelies en lavendel gingen we op en neer, vreemde en betoverende, mooie en echte quarks. In 1964 leerden Gell-Mann en Zweig ons hoe we drie quarks moesten mengen om een baryon te maken. Een proton is twee up- en één down-quark; neutron - twee onder en één boven. Neem een quark en een antiquark - neem een meson. Een pioen is een up- of down-quark die wordt geassocieerd met een up- of down-antiquark. Alle materie waarmee we te maken hebben, bestaat uit up en down quarks, antiquarks en elektronen.
Eenvoud. Niet bepaald eenvoud, want het is niet eenvoudig om quarks gebonden te houden. Ze hechten zo nauw aan elkaar dat je nooit een quark of antiquark alleen zult zien ronddwalen. De theorie van deze verbinding en de deeltjes die eraan deelnemen, namelijk gluonen, worden kwantumchromodynamica genoemd. Dit is een belangrijk onderdeel van het standaardmodel, wiskundig ingewikkeld en op sommige plaatsen zelfs onoplosbaar voor elementaire wiskunde. Natuurkundigen doen hun best om berekeningen te maken, maar soms is het wiskundige apparaat niet voldoende ontwikkeld.
Een ander aspect van het standaardmodel is het "leptonmodel". Dit is de titel van een historisch document uit 1967 van Steven Weinberg dat kwantummechanica combineert met essentiële kennis van hoe deeltjes op elkaar inwerken en deze in een verenigde theorie organiseren. Hij zette elektromagnetisme aan, associeerde het met een "zwakke kracht" die tot bepaalde radioactieve verval leidt, en legde uit dat dit verschillende manifestaties zijn van dezelfde kracht. Het Higgs-mechanisme was in dit model opgenomen, dat massa geeft aan fundamentele deeltjes.
Sindsdien voorspelt het Standaardmodel de resultaten van experimenten na resultaten, waaronder de ontdekking van verschillende soorten quarks en W- en Z-bosonen - zware deeltjes die, in zwakke interacties, dezelfde rol vervullen als een foton in elektromagnetisme. De mogelijkheid dat neutrino's massa hebben werd in de jaren zestig over het hoofd gezien, maar werd in de jaren negentig, enkele decennia later, bevestigd door het standaardmodel.
De ontdekking van het Higgsdeeltje in 2012, lang voorspeld door het Standaardmodel en langverwacht, kwam echter niet als een verrassing. Maar het was weer een grote overwinning voor het Standaardmodel op de duistere krachten die deeltjesfysici regelmatig aan de horizon verwachten. Natuurkundigen houden er niet van dat het standaardmodel niet overeenkomt met hun ideeën over een eenvoudig model, ze maken zich zorgen over de wiskundige inconsistentie ervan, en ze zoeken ook naar een manier om de zwaartekracht in de vergelijking op te nemen. Dit vertaalt zich duidelijk in verschillende natuurkundige theorieën, die mogelijk na het standaardmodel zijn. Dit is hoe grote eenmakingstheorieën, supersymmetrie, technocolor en snaartheorie ontstonden.
Helaas hebben theorieën buiten het standaardmodel geen succesvol experimenteel bewijs gevonden en geen grote tekortkomingen in het standaardmodel. Vijftig jaar later is het het standaardmodel dat het dichtst een theorie van alles is. Verbazingwekkende theorie van bijna alles.
Ilya Khel
