Elemi részecske
A fizikában az elemi részecske vagy alaprészecske olyan részecske, amely nem más részecskékből áll.
Egy elemi részecske két csoportba tartozhat: fermion vagy bozon. A fermionok az anyag építőkövei, és tömeggel rendelkeznek, míg a bozonok a fermion kölcsönhatások erőhordozóiként viselkednek, és némelyiküknek nincs tömegük. A Standard Modell a részecskék viselkedésének és a rájuk ható erőknek a legelfogadottabb magyarázata. E modell szerint az elemi részecskéket kvarkokra, leptonokra és mérőbozonokra osztják tovább, a Higgs-bozon pedig különleges státuszú, nem mérőbozon.
Az atomot alkotó részecskék közül csak az elektron elemi részecske. A protonok és a neutronok mindegyike 3 kvarkból áll, ami őket összetett részecskékké, más részecskékből álló részecskékké teszi. A kvarkokat a gluonok kötik össze. Az atommagban bozon-pion mezők vannak, amelyek a protonokat és neutronokat összekötő erős magerőért felelősek a protonok közötti elektrosztatikus taszítással szemben. Az ilyen virtuális pionok kvark-antikvark párokból állnak, amelyeket ismét gluonok tartanak össze.
Az elemi részecskéket három alapvető tulajdonság jellemzi: A tömeg, a töltés és a spin. Mindegyik tulajdonsághoz egy-egy számérték tartozik. A tömeg és a töltés esetében a szám lehet nulla. Például a foton tömege nulla, a neutrínó töltése pedig nulla. Ezek a tulajdonságok egy elemi részecske esetében mindig ugyanazok maradnak.
- Mass: Egy részecskének akkor van tömege, ha a sebességének növeléséhez vagy felgyorsításához energiára van szüksége. A jobb oldali táblázat az egyes elemi részecskék tömegét adja meg. Az értékek MeV/c2s-ben vannak megadva (azaz "c" négyzetre vetített megaelektronvoltban), azaz a fénysebesség négyzetére vetített energiaegységekben. Ez a speciális relativitáselméletből származik, amely szerint az energia egyenlő a tömeg és a fénysebesség négyzetének szorzatával. Minden tömeggel rendelkező részecske gravitációt termel. Minden részecskére hatással van a gravitáció, még az olyan tömeg nélküli részecskékre is, mint a foton (lásd az általános relativitáselméletet).
- Elektromos töltés: A részecskéknek lehet pozitív, negatív vagy semmilyen töltése. Ha egy részecske negatív töltéssel rendelkezik, egy másik részecske pedig pozitív töltéssel, akkor a két részecske vonzza egymást. Ha a két részecskének negatív töltése van, vagy mindkettőnek pozitív töltése van, a két részecske egymástól távolodik. Kis távolságokon ez az erő sokkal erősebb, mint a gravitációs erő, amely minden részecskét egymáshoz húz. Az elektron töltése -1, a protoné +1. A neutron átlagos töltése 0. A normál kvarkok töltése ⅔ vagy -⅓.
- Spin: Egy részecske szögimpulzusának vagy állandó forgásának van egy adott értéke, amelyet spinszámnak nevezünk. Az elemi részecskék spinszáma egy vagy ½. A részecskék spin-tulajdonsága csak a szögimpulzus jelenlétét jelöli. A valóságban a részecskék nem forognak.
A tömeg és a töltés olyan tulajdonságok, amelyekkel a mindennapi életben is találkozunk, mivel a gravitáció és az elektromosság hatással van az ember által látható és megérinthető dolgokra. A pörgés azonban csak a szubatomi részecskék világára van hatással, így közvetlenül nem lehet megfigyelni.
Az elemi részecskék standard modellje. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.
Fermionok
A fermionok (Enrico Fermi tudósról kapták a nevüket) spinszáma ½, és vagy kvarkok vagy leptonok. A fermionoknak 12 különböző típusa létezik (az antianyagot nem számítva). Mindegyik típust "flavor"-nak nevezzük. Az ízek a következők:
- Kvarkok: felfelé, lefelé, bájos, furcsa, felső, alsó. A kvarkok három párban, úgynevezett "generációkban" léteznek. Az 1. generáció (up és down) a legkönnyebb, a harmadik (top és bottom) pedig a legnehezebb. Minden pár (up, charm és top) egyik tagja ⅔ töltéssel rendelkezik. A másik tag (lent, furcsa és alul) töltése -⅓.
- Leptonok: elektron, müon, tau, elektron neutrínó, müon neutrínó, tau neutrínó. A neutrínók töltése 0, ezért a neutr- előtag. A többi lepton töltése -1. Minden neutrínó a megfelelő eredeti leptonról kapta a nevét: elektron, müon és tauon.
A 12 fermionból hatról úgy gondolják, hogy örökké tart: a felfelé és lefelé mutató kvarkokról, az elektronról és a háromféle neutrínóról (amelyek folyamatosan változtatják az ízüket). A többi fermion bomlik. Vagyis a másodperc töredéke alatt más részecskékre bomlanak szét a keletkezésük után. A Fermi-Dirac-statisztika egy elmélet, amely leírja, hogyan viselkednek a fermionok gyűjteményei. Lényegében nem lehet egynél több fermion egyszerre ugyanazon a helyen.
Bosonok
A bozonok, amelyeket Satyendra Nath Bose indiai fizikusról neveztek el, spinjük 1. Bár a legtöbb bozon egynél több részecskéből áll, kétféle elemi bozon létezik:
- Gauge bozonok: gluonok, W+és W-bozonok, Z0bozonok és fotonok. Ezek a bozonok a 4 alapvető erőből 3-at hordoznak, és spinszámuk 1;
- Gluon: A gluonok tömeg- és töltés nélküli részecskék, és az erős erő kölcsönhatásának hordozói. A kvarkokkal együtt a hadronoknak nevezett összetett részecskéket alkotnak, amelyek közé a protonok és a neutronok tartoznak.
- W és Z bozonok: A W- és Z-bozonok a gyenge erőt hordozó részecskék. A W-bozon egy anyagrészecske (W+) és egy antianyag-részecske (W-), míg a Z-bozon saját antirészecskéje. A W-bozon béta-bomlás során keletkezik, de szinte azonnal neutrínóvá és elektronná alakul. A W- és a Z-bozont egyaránt 1983-ban fedezték fel.
- Foton: A fotonok tömeg- és töltés nélküli részecskék, amelyek az elektromágneses erőt hordozzák. A fotonok rendelkezhetnek bizonyos frekvenciával, amely meghatározza, hogy milyen elektromágneses sugárzásnak minősülnek. Mint minden más tömeg nélküli részecske, ők is fénysebességgel (300 000 km/s) terjednek.
- Higgs-bozon: A fizikusok úgy vélik, hogy a tömeges részecskéknek a Higgs-kölcsönhatás miatt van tömegük (vagyis nem puszta energiakötegek, mint a fotonok).
A fotonnak és a gluonoknak nincs töltése, és ezek az egyetlen elemi részecskék, amelyeknek a tömege biztosan 0. A foton az egyetlen bozon, amely nem bomlik. A Bose-Einstein-statisztika egy olyan elmélet, amely leírja, hogyan viselkednek a bozonok gyűjteményei. A fermionokkal ellentétben egynél több bozon is lehet egy térben egyidejűleg.
A Standard Modell tartalmazza az összes fent leírt elemi részecskét. Mindezeket a részecskéket laboratóriumban megfigyelték.
A Standard Modell nem beszél a gravitációról. Ha a gravitáció úgy működik, mint a három másik alapvető erő, akkor a gravitációt a graviton nevű hipotetikus bozon hordozza. A gravitont még nem találták meg, ezért nem szerepel a fenti táblázatban.
Az első fermion, amelyet felfedeztek, és amelyről a legtöbbet tudunk, az elektron. Az első felfedezett bozon, amelyről szintén a legtöbbet tudunk, a foton. Az elméletet, amely a legpontosabban megmagyarázza az elektron, a foton, az elektromágnesesség és az elektromágneses sugárzás együttes működését, kvantumelektrodinamikának nevezik.
Kérdések és válaszok
K: Mik azok az elemi részecskék?
V: Az elemi részecskék olyan részecskék, amelyek nem más részecskékből állnak.
K: Hány csoportba tartoznak az elemi részecskék?
V: Az elemi részecskék két csoportba tartozhatnak, a fermionok vagy a bozonok csoportjába.
K: Mi a Standard Modell?
V: A Standard Modell a részecskék viselkedésének és a rájuk ható erőknek a legelfogadottabb magyarázata.
K: Hogyan csoportosítják az elemi részecskéket a Standard Modell szerint?
V: A Standard Modell szerint az elemi részecskéket kvarkokra, leptonokra és mérőbozonokra csoportosítják, a Higgs-bozon pedig nem mérőbozonként különleges státuszú.
K: A protonok és neutronok elemi részecskéknek számítanak?
V: Nem, a protonokat és a neutronokat nem tekintik elemi részecskéknek, mivel mindegyikük 3 kvarkból áll, ami összetett részecskévé teszi őket - vagyis más kisebb részecskékből állnak.
K: Milyen tulajdonságok jellemzik az elemi részecskéket?
V: Az elemi részecskéket három alapvető tulajdonság jellemzi: a tömeg, a töltés és a spin - mindegyik tulajdonsághoz egy-egy számérték tartozik.
K: A gravitáció minden típusú részecskére hatással van, még azokra is, amelyeknek nincs tömegük, például a fotonokra?
V: Igen, az általános relativitáselméletnek köszönhetően minden típusú részecske, beleértve a tömeg nélkülieket is, mint például a fotonok, tapasztalja a gravitációt.
