Cząstka elementarna
W fizyce, cząstka elementarna lub podstawowa to cząstka, która nie jest zbudowana z innych cząstek.
Cząstka elementarna może być jedną z dwóch grup: fermionem lub bozonem. Fermiony są składnikami materii i mają masę, podczas gdy bozony zachowują się jak nośniki siły w oddziaływaniach fermionowych, a niektóre z nich nie mają masy. Model Standardowy jest najbardziej akceptowanym sposobem wyjaśnienia zachowania się cząstek i sił, które na nie oddziałują. Zgodnie z tym modelem cząstki elementarne są dalej grupowane w kwarki, leptony i bozony gauge'owe, a bozon Higgsa ma specjalny status bozonu niemającego masy.
Z cząstek składających się na atom, tylko elektron jest cząstką elementarną. Protony i neutrony są zbudowane z 3 kwarków, co czyni je cząstkami złożonymi, cząstkami, które są zbudowane z innych cząstek. Kwarki są związane razem przez gluony. W jądrze znajdują się bozonowe pola pionowe odpowiedzialne za silne siły atomowe wiążące protony i neutrony przed elektrostatycznym odpychaniem pomiędzy protonami. Takie wirtualne piony składają się z kwarkowych par antykwarkowych, które są ponownie wiązane przez gluony.
Istnieją trzy podstawowe właściwości, które opisują cząstkę elementarną: "masa", "ładunek" i "spin". Każdej z tych właściwości przypisana jest wartość liczbowa. Dla masy i ładunku liczba ta może wynosić zero. Na przykład foton ma zerową masę, a neutrino zerowy ładunek. Właściwości te pozostają zawsze takie same dla cząstki elementarnej.
- Msza: Cząstka ma masę, jeśli pobiera energię, aby zwiększyć swoją prędkość lub ją przyspieszyć. W tabeli po prawej stronie znajduje się masa każdej cząstki elementarnej. Wartości te podane są w MeV/c2s (czyli w jednostkach energii nad "c" kwadratowym), czyli w jednostkach energii nad prędkością światła kwadratowego. Pochodzi to ze szczególnej względności, która mówi nam, że energia jest równa masie razy kwadrat prędkości światła. Wszystkie cząstki z masą wytwarzają grawitację. Na wszystkie cząstki ma wpływ grawitacja, nawet cząstki bez masy jak foton (patrz ogólna względność).
- Ładunek elektryczny: Cząsteczki mogą mieć ładunek dodatni, ujemny lub brak. Jeżeli jedna cząstka ma ładunek ujemny, a druga dodatni, obie cząstki są przyciągane do siebie. Jeżeli obie cząstki mają ładunek ujemny lub oba mają ładunek dodatni, to obie są odsuwane od siebie. Na krótkich odległościach siła ta jest znacznie silniejsza niż siła grawitacji, która ściąga wszystkie cząstki do siebie. Elektron ma ładunek -1. Proton ma ładunek +1. Neutron ma średni ładunek 0. Normalne kwarki mają ładunek ⅔ lub -⅓.
- Spin: Pęd kątowy lub stały obrót cząstki ma szczególną wartość, zwaną jej numerem spinowym. Spin dla cząstek elementarnych wynosi jeden lub ½. Własność spinowa cząstek oznacza jedynie obecność pędu. W rzeczywistości, cząstki nie wirują.
Masa i ładunek są właściwościami, które widzimy w codziennym życiu, ponieważ grawitacja i elektryczność wpływają na rzeczy, które ludzie widzą i dotykają. Ale spin wpływa tylko na świat subatomowych cząstek, więc nie można go bezpośrednio zaobserwować.
Standardowy model cząstek elementarnych. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.
Fermiony
Fermiony (nazwane imieniem naukowca Enrico Fermi) mają spinową liczbę ½, są to albo kwarki albo leptony. Istnieje 12 różnych rodzajów fermionów (nie licząc antymaterii). Każdy rodzaj nazywany jest "smakiem". Są to smaki:
- Kwarki: w górę, w dół, urok, dziwne, góra, dół. Kwarki występują w trzech parach, zwanych "pokoleniami". Pierwsza generacja (góra i dół) jest najlżejsza, a trzecia (góra i dół) jest najcięższa. Jeden członek każdej pary (góra, urok i góra) ma ładunek ⅔. Drugi członek (w dół, dziwny i dolny) ma ładunek -⅓.
- Leptony: elektron, mion, taon, neutrino elektronowe, neutrino mionowe, neutrino taonowe. Neutrina mają ładunek 0, stąd przedrostek neutrina. Pozostałe leptony mają ładunek -1. Każde z neutrin ma swoją nazwę od odpowiadającego mu oryginalnego leptonu: elektron, mion i taon.
Sześć z 12 fermionów ma trwać wiecznie: kwarki górne i dolne, elektron i trzy rodzaje neutrin (które nieustannie zmieniają smak). Pozostałe fermiony rozpadają się. To znaczy, że rozpadają się na inne cząstki ułamek sekundy po ich utworzeniu. Statystyka Fermi-Diraca jest teorią, która opisuje jak zachowują się zbiory fermionów. Zasadniczo, nie można mieć więcej niż jednego fermionu w tym samym miejscu w tym samym czasie.
Bosonowie
Bozony, nazwane na cześć indyjskiej fizyczki Satyendry Nath Bose, mają spin 1. Chociaż większość bozonów składa się z więcej niż jednej cząsteczki, istnieją dwa rodzaje bozonów elementarnych:
- Bozony wskaźnikowe: gluony, bozony W+i W-, bozony Z0 i fotony. Bozony te przenoszą 3 z 4 sił podstawowych, a ich liczba spinowa wynosi 1;
- Gluon: Gluony to bezmasowe i bezładne cząstki, które są nośnikami silnego oddziaływania siłowego. Wraz z kwarkami łączą się, tworząc złożone cząstki zwane hadronami, do których należą protony i neutrony.
- Bozony W i Z: Bozony W i Z to cząstki, które przenoszą słabą siłę. Bozon W ma cząstkę materii (W+) i cząstkę antymaterii (W-), podczas gdy bozon Z jest swoją własną antycząstką. Bozon W jest produkowany w rozpadzie beta, ale prawie natychmiast zamienia się w neutrino i elektron. Zarówno bozon W jak i Z zostały odkryte w 1983 roku.
- Photon: Fotony to bezmasowe i bezładne cząstki, które przenoszą siłę elektromagnetyczną. Fotony mogą mieć określoną częstotliwość, która określa, jakie jest ich promieniowanie elektromagnetyczne. Jak wszystkie inne bezmasowe cząstki poruszają się z prędkością światła (300.000 km/s).
- Bozon Higgsa: Fizycy uważają, że masywne cząstki mają masę (to znaczy, że nie są to czyste wiązki energii jak fotony) z powodu oddziaływania Higgsa.
Foton i gluony nie mają żadnego ładunku i są jedynymi cząstkami elementarnymi, które na pewno mają masę 0. Foton jest jedynym bozonem, który nie ulega rozkładowi. Statystyka Bose-Einsteina jest teorią, która opisuje jak zachowują się zbiory bozonów. W przeciwieństwie do fermionów, możliwe jest posiadanie więcej niż jednego bozonu w tej samej przestrzeni w tym samym czasie.
Model Standardowy obejmuje wszystkie opisane powyżej cząstki elementarne. Wszystkie te cząstki zostały zaobserwowane w laboratorium.
Model standardowy nie mówi o grawitacji. Jeśli grawitacja działa jak trzy inne podstawowe siły, to grawitacja jest przenoszona przez hipotetyczny bozon zwany grawitonem. Grawiton nie został jeszcze odnaleziony, więc nie jest on uwzględniony w powyższej tabeli.
Pierwszym odkrytym fermionem i tym, o którym wiemy najwięcej, jest elektron. Pierwszym odkrytym bozonem, a także tym, o którym wiemy najwięcej, jest foton. Teoria, która najdokładniej wyjaśnia, jak elektron, foton, elektromagnetyzm i promieniowanie elektromagnetyczne działają razem, nazywa się elektrodynamiką kwantową.
Pytania i odpowiedzi
P: Co to są cząstki elementarne?
O: Cząstki elementarne to cząstki, które nie są zbudowane z innych cząstek.
P: Do ilu grup należą cząstki elementarne?
A: Cząstki elementarne mogą należeć do jednej z dwóch grup, fermionów lub bozonów.
P: Co to jest Model Standardowy?
A: Model Standardowy jest najbardziej akceptowanym sposobem wyjaśniania zachowania cząstek i sił, które na nie oddziałują.
P: Jak cząstki elementarne są pogrupowane według Modelu Standardowego?
O: Zgodnie z Modelem Standardowym cząstki elementarne dzielą się na kwarki, leptony i bozony cechowania, przy czym bozon Higgsa ma specjalny status bozonu cechowania.
P: Czy protony i neutrony są uważane za cząstki elementarne?
O: Nie, protony i neutrony nie są uważane za cząstki elementarne, ponieważ każdy z nich składa się z 3 kwarków, co czyni je cząstkami złożonymi - co oznacza, że składają się z innych mniejszych cząstek.
P: Jakie właściwości opisują cząstkę elementarną?
O: Istnieją trzy podstawowe właściwości opisujące cząstkę elementarną - masa, ładunek i spin - każdej właściwości przypisana jest wartość liczbowa.
P: Czy grawitacja wpływa na wszystkie rodzaje cząstek, nawet te bez masy, jak fotony?
O: Tak, wszystkie rodzaje cząstek, nawet te bez masy jak fotony, doświadczają grawitacji z powodu ogólnej teorii względności.
