Podstawy fizyki cząstek elementarnych

Pojęcie fundamentalnych, niepodzielnych cząstek sięga czasów starożytni Grecy (koncepcja znana jako „atomizm”). W XX wieku fizycy zaczęli badać dzieje na najmniejszych poziomach materii, a wśród ich najbardziej zaskakujących współczesnych odkryć była ilość różnych cząstek we wszechświecie. Fizyka kwantowa przewiduje 18 rodzajów cząstek elementarnych, a 16 zostało już eksperymentalnie wykrytych. Fizyka cząstek elementarnych ma na celu znalezienie pozostałych cząstek.

Standardowy model fizyki cząstek, który dzieli cząstki elementarne na kilka grup, stanowi rdzeń współczesnej fizyki. W tym modelu trzy z cztery podstawowe siły fizyki opisane są wraz z bozonami mierniczymi cząsteczki, które pośredniczą w tych siłach. Chociaż grawitacja nie jest technicznie uwzględniona w Modelu standardowym, fizycy teoretyczni pracują nad rozszerzeniem modelu, tak aby obejmował i przewidywał kwantowa teoria grawitacji.

Jeśli jest coś, co podobają się fizykom cząstek, to dzieli cząstki na grupy. Cząstki elementarne są najmniejszymi składnikami materii i energii. O ile naukowcy mogą powiedzieć, nie wydają się być wykonane z kombinacji mniejszych cząstek.

Wszystkie cząstki elementarne w fizyce są klasyfikowane jako albo fermiony lub bozony. Fizyka kwantowa pokazuje, że cząstki mogą mieć wewnętrzny niezerowy „spin” lub moment pęduzwiązane z nimi.

Fermion (nazwany na cześć Enrico Fermi) jest cząsteczką o spinie o wartości całkowitej całkowitej, podczas gdy bozon (nazwany na cześć Satyendra Nath Bose) jest cząsteczką o spinie całkowitym lub całkowitym. Spiny te skutkują różnymi zastosowaniami matematycznymi w określonych sytuacjach. Prosta matematyka dodawania liczb całkowitych i pół liczb całkowitych pokazuje:

• Łączenie nieparzystej liczby fermionów daje fermion, ponieważ całkowity spin nadal będzie wynosił połowę liczby całkowitej.
• Łączenie parzystej liczby fermionów daje bozon, ponieważ całkowity spin daje wartość całkowitą.

Fermiony mają spin cząstek równy wartości połowy liczby całkowitej (-1/2, 1/2, 3/2 itd.). Cząstki te tworzą materię, którą obserwujemy w naszym wszechświecie. Dwa podstawowe składniki materii to kwarki i leptyny. Obie te cząsteczki subatomowe są fermionami, więc wszystkie bozony powstają z równomiernej kombinacji tych cząstek.

Kwarki to klasa fermionów, które tworzą hadrony, takie jak protony i neutrony. Kwarki są podstawowymi cząsteczkami, które oddziałują przez wszystkie cztery podstawowe siły fizyki: grawitację, elektromagnetyzm, słaba interakcja i silna interakcja. Kwarki zawsze istnieją w połączeniu, tworząc cząsteczki subatomowe zwane hadronami. Istnieje sześć różnych rodzajów kwarków:

• Dolny kwark
• Dziwny Kwark
• Down Quark
• Top Quark
• Charm Quark
• W górę kwarka

Leptony są rodzajem cząstek podstawowych, które nie podlegają silnym interakcjom. Istnieje sześć odmian leptonów:

• Elektron
• Electron Neutrino
• Muon
• Muon Neutrino
• Tau
• Tau Neutrino

Każdy z trzech „smaków” leptonów (elektron, mion i tau) składa się z „słabego dubletu”, wspomnianej wcześniej cząstki wraz z praktycznie bezmasową neutralną cząstką zwaną neutrino. Zatem lepton elektronowy jest słabym dubletem elektronu i neutrino elektronowego.

Bozony mają spin cząstki równy liczbie całkowitej (liczby całkowite, takie jak 1, 2, 3 itd.). Cząstki te pośredniczą w podstawowych siłach fizycznych w ramach teorii pola kwantowego.

• Foton
• W Boson
• Z Boson
• Gluon
• Bozon Higgsa
• Grawiton

Hadrony to cząstki złożone z wielu połączonych ze sobą kwarków, tak że ich spin ma wartość połowy liczby całkowitej. Hadrony są podzielone na mezony (które są bozonami) i barionami (które są fermionami).

• Mezony
• Baryony
• Nukleony
• Hiperony: krótkotrwałe cząstki złożone z dziwnych kwarków

Cząsteczki to złożone struktury złożone z wielu połączonych ze sobą atomów. Podstawowy chemiczny budulec materii, atomy składają się z elektronów, protonów i neutronów. Protony i neutrony są nukleonami, rodzajem barionu, które razem tworzą cząsteczkę złożoną, która jest jądrem atomu. Badanie tego, w jaki sposób atomy łączą się ze sobą, tworząc różne struktury molekularne, jest podstawą współczesności chemia.

Utrzymanie wszystkich nazw w fizyce cząstek może być trudne, dlatego warto pomyśleć o świecie zwierząt, w którym takie uporządkowane nazewnictwo może być bardziej znane i intuicyjne. Ludzie to naczelne, ssaki, a także kręgowce. Podobnie protony to nukleony, baryony, hadrony, a także fermiony.

Niefortunna różnica polega na tym, że terminy te brzmią podobnie do siebie. Na przykład pomieszanie bozonów i barionów jest znacznie łatwiejsze niż pomylenie naczelnych i bezkręgowców. Jedynym sposobem, aby naprawdę oddzielić te różne grupy cząstek, jest ich dokładne przestudiowanie i staranie się zachować ostrożność przy wyborze nazwy.

Edytowany przez Dr Anne Marie Helmenstine