De hele natuur komt voort uit een handvol componenten – de fundamentele deeltjes – die op slechts een paar verschillende manieren met elkaar reageren. In de jaren zeventig ontwikkelden natuurkundigen een reeks vergelijkingen die deze deeltjes en interacties beschrijven. Samen vormden deze vergelijkingen een beknopte theorie die nu bekend staat als het Standaard Model van de deeltjesfysica.
Het Standaard Model mist een paar puzzelstukjes (opvallend afwezig zijn de vermeende deeltjes die donkere materie vormen, de deeltjes die de zwaartekracht overbrengen, en een verklaring voor de massa van neutrino’s), maar het geeft een uiterst nauwkeurig beeld van bijna alle andere waargenomen verschijnselen.
Echter, voor een raamwerk dat ons beste begrip van de fundamentele orde van de natuur omvat, mist het Standaard Model nog steeds een coherente visualisatie. De meeste pogingen zijn te simpel, of ze negeren belangrijke onderlinge verbanden of zijn rommelig en overweldigend.
Kijk eens naar de meest gebruikelijke visualisatie, die een periodiek systeem van deeltjes laat zien:
Deze benadering biedt geen inzicht in de relaties tussen de deeltjes. De krachtdragende deeltjes (namelijk het foton, dat de elektromagnetische kracht overbrengt; de W- en Z-bosonen, die de zwakke kracht overbrengen; en de gluonen, die de sterke kracht overbrengen) worden op één lijn gesteld met de materiedeeltjes waartussen deze krachten werken – quarks, elektronen en hun verwanten. Bovendien zijn belangrijke eigenschappen als “kleur” weggelaten.
Een andere voorstelling is ontwikkeld voor de film Particle Fever uit 2013:
Hoewel deze visualisatie de centraliteit van het Higgs boson – de spil van het Standaard Model, om redenen die hieronder worden uitgelegd – goed benadrukt, wordt het Higgs naast het foton en gluon geplaatst, ook al heeft het Higgs in werkelijkheid geen invloed op die deeltjes. En de kwadranten van de cirkel zijn misleidend – ze impliceren bijvoorbeeld dat het foton alleen paart aan de deeltjes die het aanraakt, wat niet het geval is.
Een nieuwe benadering
Chris Quigg, deeltjesfysicus aan het Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois, denkt al tientallen jaren na over hoe het Standaard Model kan worden gevisualiseerd, in de hoop dat een krachtigere visuele voorstelling mensen vertrouwd zou maken met de bekende deeltjes van de natuur en hen zou aanzetten na te denken over hoe deze deeltjes in een groter, completer theoretisch raamwerk zouden kunnen passen. Quigg’s visuele voorstelling toont meer van de onderliggende orde en structuur van het Standaard Model. Hij noemt zijn schema de “dubbele simplex” voorstelling, omdat de linkshandige en rechtshandige deeltjes van de natuur elk een simplex vormen – een veralgemening van een driehoek. Wij hebben Quigg’s schema overgenomen en verder aangepast.
Laten we de dubbele simplex eens vanaf nul opbouwen.
Quarks onderaan
Materiedeeltjes zijn er in twee hoofdvariëteiten, leptonen en quarks. (Merk op dat er voor elk soort materiedeeltje in de natuur ook een antimateriedeeltje is, dat dezelfde massa heeft maar in alle andere opzichten tegengesteld is. Zoals andere Standaard Model visualisaties hebben gedaan, laten we antimaterie buiten beschouwing, dat een aparte, omgekeerde dubbele simplex zou vormen.)
Laten we beginnen met quarks, en in het bijzonder de twee soorten quarks waaruit de protonen en neutronen in atoomkernen zijn opgebouwd. Dit zijn de up-quark, die tweederde van een eenheid van elektrische lading bezit, en de down-quark, met een elektrische lading van -1/3.
Op- en neer-quarks kunnen “linkshandig” of “rechtshandig” zijn, afhankelijk van of ze met de klok mee of tegen de klok in draaien ten opzichte van hun bewegingsrichting.
Zwakke Verandering
Linkshandige op- en neer-quarks kunnen in elkaar veranderen, via een interactie die de zwakke kracht wordt genoemd. Dit gebeurt wanneer de quarks een deeltje uitwisselen dat een W-boson wordt genoemd – een van de dragers van de zwakke kracht, met een elektrische lading van +1 of -1. Deze zwakke wisselwerking wordt weergegeven door de oranje lijn:
Schrikbarend genoeg zijn er geen rechtshandige W-bosonen in de natuur. Dit betekent dat rechtshandige quarks geen W-bosonen kunnen uitzenden of absorberen, en dus ook niet in elkaar kunnen overgaan.
Zwakke kleuren
Quarks bezitten ook een soort lading die kleur wordt genoemd. Een quark kan een rode, groene of blauwe kleurlading hebben. De kleur van een quark maakt hem gevoelig voor de sterke kracht.
De sterke kracht bindt quarks van verschillende kleuren samen tot samengestelde deeltjes zoals protonen en neutronen, die “kleurloos” zijn, zonder netto kleurlading.
Quarks transformeren van de ene kleur naar de andere door het absorberen of uitzenden van deeltjes die gluonen worden genoemd, de dragers van de sterke kracht. Deze interacties vormen de zijden van een driehoek. Omdat gluonen zelf kleurlading bezitten, hebben zij voortdurend wisselwerkingen met elkaar en met quarks. De interacties tussen gluonen vullen de driehoek in.