Hoe groot het heelal ook is, uiteindelijk bestaat alles uit elementaire deeltjes. Nikhef bestudeert het universum van de allerkleinste tot de allergrootste schalen.

De kleinste bekende bouwstenen van de materie zijn kleiner dan een miljardste van een miljardste meter. Met experimenten bij deeltjesversnellers als de LHC op CERN en met andere experimenten kijken natuurkundigen tot aan deze schaal, en in de toekomst misschien daar voorbij.

Aan de andere kant staan de verste objecten in het heelal miljarden lichtjaren van de aarde, meer dan een miljoen miljard maal de afstand tot de maan. Huidige detectoren voor zwaartekrachtsgolven nemen botsende objecten in het heelal waar die honderden miljoenen lichtjaren ver weg zijn. Toekomstige detectoren zullen nog dieper in het heelal proberen te kijken.

__________

No matter how big the universe is, everything is ultimately made up of elementary particles. Nikhef studies the universe from the smallest to the largest scales.

The smallest known building blocks of matter are smaller than a billionth of a billionth of a metre in size. With experiments at particle accelerators like the LHC at CERN and with other experiments, physicists look up to this scale, and in the future perhaps beyond it.

On the other hand, the farthest objects in the universe are billions of light years from Earth, more than a million billion times the distance to the Moon. Current gravitational wave detectors observe colliding objects in the universe that are hundreds of millions of light years away. Future detectors will attempt to look even deeper into the universe.

Experimenten laten zien dat de wereld is opgebouwd uit een beperkt aantal bouwstenen, de elementaire deeltjes. Deze deeltjes en hun gedrag worden theoretisch beschreven door het Standaardmodel. Elk deeltje heeft tal van vaste eigenschappen, zoals bijvoorbeeld massa, lading en spin.

Materie is opgebouwd uit quarks en leptonen, waarvan drie generaties blijken te bestaan. Wisselwerkingen tussen deeltjes worden overgebracht via bosonen. Dit zijn speciale deeltjes die de sterke en zwakke wisselwerking en het elektromagnetisme overdragen. Het Standaardmodel kent twaalf quarks en leptonen, plus hun antideeltjes. Daarnaast zijn er vijf soorten bosonen, waaronder het higgsboson dat verklaart hoe deeltjes massa kunnen hebben.

De massa’s van de deeltjes lopen ver uiteen. Neutrino’s zijn vederlicht, maar een topquark weegt ongeveer evenveel als een heel goudatoom. Zware deeltjes zijn meestal instabiel en vervallen gemakkelijk naar lichtere deeltjes, die met detectoren geobserveerd kunnen worden.

_______________

Experiments show that the world is composed of a limited number of building blocks, the elementary particles. These particles and their behaviour are theoretically described by the Standard Model. Each particle has numerous fixed properties, such as mass, charge and spin.

Matter is composed of quarks and leptons, of which three generations have been found to exist. Interactions between particles are transmitted through bosons. These are special particles that carry the strong and weak force and electromagnetism. The Standard Model has twelve quarks and leptons, plus their antiparticles. In addition, there are five types of bosons, among which the Higgs boson that explains how particles can have mass.

The masses of the particles vary widely. Neutrinos are feather light, whereas a top quark weighs about as much as a whole gold atom. Heavy particles tend to be unstable and easily decay into lighter particles, which can be observed with detectors.

Theoretisch natuurkundigen proberen met hun denkwerk, pen en papier en computers de eigenschappen en het gedrag van de kleinste deeltjes, ruimte en tijd steeds preciezer te vatten in wiskundige formules en modellen.

Ruimte en tijd worden met de relativiteitstheorie beschreven, terwijl onze huidige kennis van elementaire deeltjes is  samengevat in het zogenoemde Standaardmodel. In deze quantumtheorie zijn deeltjes geen objecten, maar uitingen van velden op de allerkleinste schalen. Het model is wiskundig en ingewikkeld, maar kan ook in een paar formules worden samengevat.

Het werk van theoretici wordt gebruikt om de uitkomsten van bestaande of nieuwe deeltjesexperimenten te voorspellen. De resultaten van experimenten geven op hun beurt theoretici weer aanwijzingen voor verbeteringen en uitbreidingen van de theorie.

__________

Theoretical physicists use their minds, pen, paper and computers to try to capture the properties and behaviour of the smallest particles, space and time ever more precisely using mathematical formulas and models.

Space and time are described by the theory of relativity while our current knowledge of elementary particles is summarized  in the so-called Standard Model. In this quantum theory, particles are not objects, but expressions of fields on the very  smallest scales. The model is mathematical and complicated, but can also be summarized in a few formulas.

The work of theorists is used to predict the outcomes of existing or new particle experiments. In turn, the results of experiments give theorists clues for improvements and extensions of the theory.

Eeuwen van experimenteel onderzoek hebben laten zien dat materie bestaat uit deeltjes. Met de komst van de deeltjesversnellers in de 20e eeuw werd het mogelijk om de fundamentele eigenschappen van deze deeltjes zelf te bestuderen, bijvoorbeeld op CERN bij Genève.

Als deeltjes hard op elkaar worden geschoten, komen ze zo dicht bij elkaar dat fundamentele natuurwetten een rol gaan spelen. Detectoren leggen de botsingen vast. Uit de sporen reconstrueren experimenteel natuurkundigen hoe de interacties verlopen en wat er precies gebeurd kan zijn.

Andere detectoren zoals in de astrodeeltjesfysica nemen kosmische deeltjes waar, zoeken naar donkere materie, of meten trillingen van ruimte en tijd, zogenoemde zwaartekrachtsgolven.

Al deze experimenten laten zien of er misschien onbekende verschijnselen een rol spelen, waarvoor de theorieën moeten worden verfijnd of verbeterd.

_____________

Centuries of experimental research have shown that matter consists of particles. With the advent of particle accelerators in the 20th century, it became possible to study the fundamental properties of these particles themselves, for example at CERN near Geneva.

When particles are fired at each other at high energies, they get so close together that fundamental laws of nature come into play. Detectors record these collisions. From the tracks,experimental physicists reconstruct how the interactions have unfolded and what exactly may have happened.

Other detectors in astroparticle physics observe cosmic particles, search for dark matter, or measure vibrations of space and time called gravitational waves.

All these experiments show whether there may be unknown phenomena at work, for which theories need to be refined or improved.