Keuzecollege Hoge EnergieFysica Katholieke Universiteit ... - EHEF

Laten we, dit gezegd hebbende, met de deur in huis vallen en de elementaire deeltjes zoals we die nu
kennen introduceren. In Tabel 1.1 staan de elementaire deeltjes van het Standaard Model. Linksboven
staan drie groepjes van twee quarks: up(u), down(d), charm (c), strange (s), top (t) en bottom
(b).
Elk quark komt voor in drie kleuren, rood ( r ), groen ( g ) en blauw ( b ). Deze kleur is een waarde van
een quantumgetal en heeft niets met de visuele kleur te maken. We komen hier uitgebreid op terug.
Linksonder staan drie groepjes van twee leptonen: elektron (e), elektron-neutrino (ν e ), muon (µ),
muon-neutrino (ν µ ), tau (τ) en tau-neutrino (ν τ ). De electrische lading van de quarks en leptonen
staat ook in de tabel aangegeven. Het up, charm en top quark hebben lading +2/3, het down, strange
en bottom quark hebben lading -1/3, het elektron, muon en tau hebben lading -1 en de neutrino’s (de
naam zegt het al) zijn neutraal.
In het midden staan de ijkbosonen, dat zijn de deeltjes die de electromagnetische kracht en de
zwakke en sterke kernkracht overbrengen. Zoals we later zullen zien zijn de electromagnetische en
zwakke kernkracht verenigd in de electrozwakke kracht en horen de W en Z bosonen en het foton (γ)
bij elkaar. De sterke kernkracht wordt overgebracht door gluonen (g). Hier zijn acht verschillende
typen van die ieder met een bepaalde combinatie van kleuren corresponderen, waarbij kleuren de
waarden van een quantumgetal zijn, zoals we ook al voor de quarks hebben gezien. Rechts onderin
staat het buitenbeentje van het Standaard Model: het Higgs boson. De W bosonen hebben een elektrische
lading van ±1, de overige elementaire bosonen, foton, Z en Higgs zijn neutraal.
Al deze elementaire deeltjes hebben ook anti-deeltjes. Sommige deeltjes, zoals het foton en het Z-
boson zijn hun eigen anti-deeltje. Een noodzakelijke voorwaarde voor een deeltje om zijn eigen antideeltje
te zijn is dat het neutraal is. Niet alle neutrale deeltjes zijn echter noodzakelijkerwijs hun
eigen anti-deeltjes.
Al deze deeltjes zijn in experimenten waargenomen en hun eigenschappen in meer of mindere mate
vastgesteld, behalve het Higgs boson dat nog niet is waargenomen. Het experimenteel bewijs voor de
verschillende deeltjes zal in de volgende hoofdstukken worden besproken.
Behalve het elektron, is de detectie van al deze deeltjes gebasseerd op botsingen en/of vervallen van
instabiele deeltjes. De technieken en de theorie van botsingen (ook wel verstrooiing) en vervallen
zullen in het vervolg worden besproken.
De manier waarop de verschillende deeltjes zijn gegroepeerd is niet toevallig, maar reflecteert de
symmetrieën van het Standaard Model. In feite kunnen we het Standaard Model identificeren met
die symmetrieën. Het Standaard Model als wiskundig model zal ook worden besproken.
In het Standaard Model worden drie verschillende krachten beschreven: de electromagnetische
kracht, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht. We zullen zien dat de eerste twee onderdelen
zijn van een geünificeerde kracht, de electrozwakke kracht. De enige overgebleven kracht die we
kennen is de zwaartekracht. Op het niveau van elementaire deeltjes interactie speelt deze kracht geen
rol, omdat ondanks de kleine afstanden waar we mee werken de massa’s van de deeltjes zo klein zijn
dat de zwaartekracht tot op vele orden van grootte verwaarloosbaar is ten opzichte van de andere drie
krachten.
1.2 Relativistische kinematica
In dit hele college werken we met relativistische kinematica. Eerste definiëren we de notatie zoals
we die in dit college zullen gebruiken.
De plaats in de ruimte wordt aangegeven met de vier-vector:
x µ
= ct, – x, – y,
– z
, (1.1)
2 Collegedictaat Hoge Energiefysica