(Fr.: particules élémentaires; Du.: Elementarteilchen; Eng.: elementary particles), volgens de oorspronkelijke betekenis de fundamentele bouwstenen van de materie die zelf geen substructuur meer zouden bezitten.
Tot ca. 1935 kende men vier van zulke bouwstenen: protonen, neutronen, elektronen en fotonen. De atoomkernen zijn opgebouwd uit protonen en neutronen en vormen, te zamen met de zich er buiten bevindende elektronen, de atomen. De elementaire deeltjes vertonen bepaalde wisselwerkingen van sterk uiteenlopend karakter; men onderscheidt de sterke, de elektromagnetische en de zwakke wisselwerking.
Toen de experimenten der bètadesintegratie niet in overeenstemming schenen te zijn met de wet van het behoud van energie (zie Behoudswet), maakte W. Pauli in 1931 de hypothese van het bestaan van het neutrino dat in 1956 experimenteel aangetoond werd. In 1935 voorspelde H. Yukawa het bestaan van een meson, vele malen zwaarder dan het elektron, maar lichter dan het proton; pas in 1947 werd dit deeltje, dat de naam pimeson of pion gekregen heeft, ontdekt in fotografische emulsies die op grote hoogte aan kosmische straling waren blootgesteld. Het komt voor in drie vormen: positief, negatief en ongeladen. De massa’s zijn gelijk aan ca. 270 elektronenmassa’s. Vóór het pion ontdekt werd, was in 1936 reeds een deeltje gevonden met een massa van ca. 200 elektronenmassa’s dat de naam muon heeft gekregen; het komt positief en negatief geladen voor. Afgezien van zijn grotere massa bezit het muon dezelfde intrinsieke eigenschappen als het elektron, zodat het ook zwaar elektron genoemd wordt. Aangezien het muon geen meson is, maar een lepton, verdient het aanbeveling de oudere naam mu-meson niet meer te gebruiken. Het bestaan van het door P.A.M. Dirac in 1928 voorspelde antideeltje van het elektron, het positon of positieve elektron, werd in 1932 experimenteel aangetoond.
Nadien is gebleken dat het bestaan van antideeltjes een veel algemener verschijnsel is. Bij elk elementair deeltje behoort een antideeltje van dezelfde massa, dezelfde spin en dezelfde levensduur, maar met tegengestelde elektrische eigenschappen. Het foton en het ongeladen pion zijn elk hun eigen antideeltje; zij zijn strikt neutrale deeltjes. Uit de relativistische quantumtheorie volgt dat de pariteiten van deeltjes en antideeltjes dezelfde zijn indien het deeltjes van heeltallige spin betreft en dat zij tegengesteld zijn voor deeltjes van halftallige spin. Wanneer een deeltje en zijn antideeltje samenkomen kunnen zij elkaar geheel annihileren, waarbij hun totale massa wordt omgezet in een andere vorm van energie; zo kunnen een elektron en een positon elkaar annihileren onder emissie van twee gammaquanta. Met het proton en het neutron corresponderen een antiproton en een antineutron; het antiproton werd in 1953 experimenteel aangetoond.
Na 1950 zijn, volkomen onverwacht, nog zeer vele deeltjes gevonden. De eerste hiervan kregen aanvankelijk de naam V-deeltjes, naar de V-vormige sporen die zij nalaten bij registratie in bijv. fotografische emulsies. In 1957 kende men ca. 30 elementaire deeltjes, thans ruim over de 100. Niet al deze deeltjes echter kunnen elementair zijn in de strikte betekenis van het woord; een groot aantal van deze later ontdekte deeltjes bleek eigenschappen te bezitten die niet te verklaren waren op grond van bekende theorieën; zo is hun levensduur 1014 maal langer dan men verwacht had. Zij werden daarom vreemde deeltjes genoemd. Door de constructie van grote versnellingsmachines kon men botsingen tussen elementaire deeltjes doen plaatsvinden met zeer grote energie. Zo heeft men hyperonen, deeltjes met een massa groter dan die van een nucleon, kunnen aantonen. Sommige van de reactieprodukten bleken een zo korte levensduur te bezitten (minder dan 10−22 s) dat men moeilijk meer van deeltjes spreken kan. Zij uiten zich als een piek in de werkzame doorsnede van de reactie als functie van de energie en worden op grond hiervan, resonanties genoemd.
Sinds 1962 weet men dat er twee soorten neutrino’s zijn (elk met eigen antineutrino’s): het elektronneutrino dat bij bètadesintegratie optreedt, en het muonneutrino (of neutretto) dat te zamen met een muon kan ontstaan als een pion uiteenvalt.
Indeling.
Deze veelheid van deeltjes kan ingedeeld worden in vier distincte groepen (elke groep bevat de te noemen deeltjes en hun antideeltjes):
1. baryonen: de zware deeltjes, waartoe behoren de nucleonen (proton en neutron), de hyperonen, en de resonanties;
2. mesonen: deeltjes met een massa tussen die van het elektron en die van het proton;
3. leptonen: lichte deeltjes die niet aan de sterke wisselwerking deelnemen (elektron, muon, elektronneutrino, muonneutrino);
4. het foton, dat op zichzelf een afzonderlijke groep vormt.
De baryonen en mesonen worden samengevat onder de naam hadronen. De baryonen en de leptonen bezitten alle een halftallige spin, zodat zij als fermionen de Fermi-Diracstatistiek (zie Statistische mechanica) volgen. Van deze groep zijn alleen het proton, het elektron en de beide neutrino’s absoluut stabiel. De mesonen en het foton brengen de sterke, resp. de elektromagnetische wisselwerking over. Ter verklaring van de zwakke wisselwerking zoekt men naar een meson van betrekkelijk grote massa. Deze veldquanta (zie Quantumelektrodynamica; Veldentheorie) bezitten een heeltallige spin en volgen zo als bosonen de Bose-Einsteinstatistiek. Alleen het foton is absoluut stabiel. Het classificatiesysteem waartoe men voor al deze deeltjes thans is gekomen, maakt gebruik van het feit dat naast energie, impuls en impulsmoment (spin) nog andere quantumgetallen behouden blijven bij de deeltjesreacties (zij het niet gelijkelijk voor alle drie fundamentele wisselwerkingen). Elektrische lading, baryongetal en leptongetal blijven onder alle drie de wisselwerkingen behouden. Het baryongetal (resp. leptongetal) wordt gevonden door het aantal baryonen (resp. leptonen) te verminderen met het aantal antibaryonen (resp. antileptonen). Het quantumgetal pariteit is niet behouden onder de zwakke wisselwerking, wel voor de beide andere wisselwerkingen. Om de lange levensduur van de vreemde deeltjes te kunnen verklaren, werd ondersteld dat bij het verval daarvan een of andere behoudswet het snelle verval tegenhield. De behouden grootheid werd vreemdheid genoemd. Evenals pariteit is vreemdheid niet een behouden grootheid onder de zwakke wisselwerking, maar wel onder de beide andere wisselwerkingen. Zo kunnen vreemde deeltjes dus toch vervallen, zij het slechts langzaam onder invloed van de zwakke wisselwerking, zodat men van metastabiele deeltjes kan spreken.
In plaats van de vreemdheid is men later veel gebruik gaan maken van de enigszins anders gedefinieerde, maar equivalente grootheid hyperlading. De grootheid isospin is alleen onder de sterke wisselwerking behouden. Met behulp van de ingevoerde quantumgetallen heeft men regelmatigheden kunnen ontdekken in het grote aantal deeltjes. De energiespectra van baryonen en mesonen blijken namelijk zekere multipletstructuren te bezitten, d.w.z. de deeltjes kunnen in multipletten worden ingedeeld die gekenmerkt zijn door een bepaalde waarde van enkele van de quantumgetallen, bijv. spin en pariteit. Voor de deeltjes binnen een dergelijk multiplet zijn een of meer verdere fysische eigenschappen, bijv. hun massa, precies of nagenoeg gelijk.
Dat deze eigenschappen niet altijd precies gelijk zijn, wordt veroorzaakt door het feit dat de behoudswetten niet voor alle wisselwerkingen gelden, d.w.z. dat bijv. de zwakke wisselwerking of de elektromagnetische wisselwerking een kleine storing kan uitoefenen. De multipletten passen goed in een zeer mathematisch gericht classificatieschema, dat bekend is onder de naam ‘achtsgewijs’ of SU(3)-symmetrie. Een mogelijke fysische interpretatie hiervan heeft geleid tot een model waarin aan de hadronen een inwendige structuur wordt toegekend; zij zouden samengesteld zijn uit bouwstenen die de naam quark (en antiquark) gekregen hebben, maar waarvan men het bestaan (nog) niet heeft kunnen aantonen. Weer andere theorieën stellen dat geen van de ‘elementaire’ deeltjes méér elementair zou zijn dan de andere, maar dat zij op de een of andere consistente manier alle samenhangen. Het is thans niet mogelijk een precieze definitie te geven welke deeltjes werkelijk elementair te noemen zijn. Zouden de hadronen inderdaad samengestelde structuren zijn dan zou dit betekenen dat de naam elementair deeltje in strikte zin zelfs niet meer van toepassing zou zijn op het proton. Bij de classificatie van hadronen onderscheidt men thans ook ‘families’ van deeltjes van dezelfde isospin en vreemdheid en opklimmende waarden van de spin
J = J0, J0 + 1, J0 + 2, ...en alternerende waarden van de pariteiten
P = + 1, − 1, + 1, ...of P = − 1, + 1, − 1,...
Zulke families kan men opvatten als te bestaan uit een grondtoestand (laagste spin) en geëxciteerde toestanden. Er zijn verscheidene van dergelijke families gevonden waarin een lineair verband bestaat tussen de spin van een deeltje en het kwadraat van zijn massa, J = ⍺'M2 + ⍺0. De constante ⍺' blijkt altijd ongeveer dezelfde waarde c2 per GeV te hebben, zowel voor baryonen als voor mesonen. Het is niet bekend of deze families slechts een eindig aantal deeltjes kunnen bevatten of in principe oneindig groot kunnen worden. Het is thans gebruikelijk de massa van elementaire deeltjes op te geven in MeV/c2 of in de equivalente energiehoeveelheid volgens de massaenergierelatie E = mc2. De omrekening van elektronenmassa’s in elektronvolt kan geschieden volgens; mec2 ≙ 0,511 MeV (nauwkeurige waarde 0,511 006).