Elemi részecskék: definíció, tulajdonságok és Standard Modell
Elemi részecskék: áttekintés a fermionok, bozonok, kvarkok, leptonok és a Higgs szerepéről a Standard Modellben — tulajdonságok: tömeg, töltés és spin.
A fizikában az elemi részecske vagy alaprészecske olyan részecske, amely nem más részecskékből áll.
Egy elemi részecske két nagyobb osztályba sorolható: fermion vagy bozon. A fermionok az anyag alapvető építőkövei (például a elektron és a kvarkok) és általában fél-egész spinszámmal rendelkeznek; a bozonok az erőket közvetítik (például a foton vagy a gluon) és egész spinszámúak. A Standard Modell a jelenlegi legjobb elméleti keret az elemi részecskék és kölcsönhatásaik leírására: ebben a modellben az elemi részecskéket kvarkokra, leptonokra és mérőbozonokra osztjuk, míg a Higgs-bozon különleges szerepet tölt be a részecskék tömegének kialakulásában.
Az atomot alkotó részecskék közül az elektron elemi részecske, míg a protonok és neutronok összetett részecskék: mindkettő három kvarkból áll, ezért őket hadronoknak nevezzük. A kvarkokat a gluonok hozzák össze, és az erős kölcsönhatás speciális tulajdonsága, az ún. konfinement miatt a kvarkok szabad állapotban nem figyelhetők meg. Az atommagban közvetítő szerepet játszó pionok (mezőkvantumok, gyakran virtuális állapotok formájában) hozzájárulnak a nukleonok közötti kötőerőhöz; ezek effektív leírások kvark–antikvark összetétellel és gluonok által közvetített kölcsönhatással.
Az elemi részecskék alapvető tulajdonságai
Az elemi részecskéket több fontos mennyiség jellemzi; közülük a három legfontosabb a tömeg, az elektromos töltés és a spin. Ezek mérhető, kvantált jellemzők, amelyek a részecskék kölcsönhatásait és viselkedését meghatározzák. Az alábbiakban a meglévő leírást kiegészítve pontosítjuk és bővítjük ezeket a fogalmakat.
- Mass: Egy részecskének akkor van tömege, ha a sebességének növeléséhez vagy felgyorsításához energiára van szüksége. Az elemi részecskék tömegét gyakran energiában adják meg, például MeV/c2s-ben (gyakran írva MeV/c2), ami a speciális relativitáselmélet E = mc2 összefüggéséből ered. A tömeggel rendelkező részecskék gravitációs hatást fejtenek ki, és a gravitáció minden részecskére hat, beleértve az olyan tömegnélküli részecskéket is, mint a foton — ez utóbbi az általános relativitáselmélet keretében történő téridő-görbülés révén szenved befolyást. A Standard Modellben a részecskék tömegeinek eredete a Higgs-mechanizmus; néhány részecske (például a foton és a gluon) elméletileg nulla nyugvó tömeggel rendelkezik, míg másoknak a Higgs-mezővel való kölcsönhatás ad tömeget. A neutrínók tömege nagyon kicsi, és a neutrínó-oscillációk felfedezése mutatta meg, hogy ezek nem pontosan nullák.
- Elektromos töltés: A részecskék lehetnek pozitív, negatív vagy semleges töltésűek. Az ellentétes töltésű részecskék vonzzák, az egyforma töltésűek taszítják egymást; az elektromosság hatása kis távolságon sokkal erősebb lehet, mint a gravitáció. Például az elektron töltése -1 (elemi töltés egységében kifejezve), a protoné +1, a neutron átlagos töltése pedig 0. A kvarkok frakcionális töltései tipikusak: +2/3 vagy -1/3 elemi töltésértékek. Az elektromos töltés megőrződik a legtöbb részecskeinterakció során — ez egy fontos konzervációs törvény.
- Spin: Egy részecske kvantált szögimpulzusát nevezzük spinnek; ez nem „klasszikus forgást” jelent, hanem kvantummechanikai belső tulajdonságot. Ellentétben az eredeti rövid leírással, a spinszám lehet egész (0, 1, 2, ...) vagy fél-egész (1/2, 3/2, ...). Például a leptonok és kvarkok tipikusan 1/2 spinszámúak, a foton és gluon spinje 1, a Higgs-bozoné 0. A spin meghatározza a részecskére vonatkozó statisztikát: a fél-egész spinnel rendelkező részecskék fermionok (Fermi–Dirac statisztika), az egész spinnel rendelkezők bozonok (Bose–Einstein statisztika).
A tömeg és a töltés olyan tulajdonságok, amelyekkel a mindennapi életben is találkozunk, mivel a gravitáció és az elektromosság makroszkopikus hatásokkal jár. A spin kvantummechanikai jellege miatt a szubatomi világban fontos, de közvetlenül nem látható klasszikus forgásként.
A Standard Modell részletei
A Standard Modell három családnyi fermiont (összesen hat kvark és hat lepton, három generációban) és négy alapvető kölcsönhatást leíró mérőbozont tartalmaz (a fotont az elektromágneseshez, a gluonokat az erőshez, a W± és Z bozonokat a gyenge interakcióhoz). A modell matematikailag egy gauge-elmélet, amelynek szimmetriacsoportja SU(3)×SU(2)×U(1). A Higgs-bozon feltételezett és később megfigyelt részecske a tömeg generálásáért felel a Higgs-mezőn keresztül.
Kvarkok, leptonok és hadronok
A kvarkoknak hat „ízük” (up, down, charm, strange, top, bottom) van, mindegyik három szín-töltéssel (color charge). A kvarkok színtöltésük miatt soha nem jelennek meg szabadon, hanem hadronokba (baryonok, például proton és neutron — három kvark; mezonok — kvark–antikvark párok) rendeződnek. A leptonok közé tartozik az elektron, a muon, a tau és ezek neutrínói; a leptonok nem vesznek részt az erős kölcsönhatásban.
Alapvető kölcsönhatások
- Erős kölcsönhatás — gluonok közvetítik, a kvarkokat és gluonokat köti össze; felelős a hadronok belső szerkezetéért és az atommag összetartásáért.
- Elektromágneses kölcsönhatás — foton közvetíti; az elektromos töltéssel rendelkező részecskék közötti Coulomb-erő.
- Gyenge kölcsönhatás — W± és Z bozonok közvetítik; fontos a radioaktív bomlásokban, a neutrínó-kölcsönhatásokban és a kvarkízváltásokban.
- Gravitáció — jelenleg nem része a Standard Modellnek; a kvantumgravitáció leírása nyitott kérdés (a hipotetikus kvantuma a graviton lenne, spin 2).
Antirészecskék, létrehozás és megsemmisülés
Minden részecskéhez létezik antirészecske az ellenkező töltésű kvantumszámokkal; részecske–antirészecske találkozásakor típusfüggő annihiláció történhet (például elektron–pozitron annihiláció fotonok keletkezéséhez vezet). A részecskék létrehozhatók és megsemmisíthetők energiából a részecske–antirészecske párok létrehozásakor/annihilációjakor, az E = mc2 törvénye szerint.
Hogyan mérjük az elemi részecskéket?
Az elemi részecskék tulajdonságait gyorsítókban (pl. LHC) állítják elő és detektorokkal (pl. ATLAS, CMS) mérik. A kísérleti jelek között szerepel a pályák rekonstruálása mágneses térben, energia-mérések, történés-topológiák és bomlási termékek kimutatása. Korábbi módszerek közé tartoztak a buborék- és felhőkamrák is.
Fontos fogalmak és nyitott kérdések
Fontos fogalmak: kvantumszámok (barionszám, leptonszám, töltés, spin), szimmetriák és azok megsértése (pl. CP-sértés), valamint a neutrínó-oscillációk (amelyek bizonyítékot adtak a neutrínók tömegére). Nyitott kérdések a fizikában: a sötét anyag természete, a sötét energia oka, a neutrínók teljes tömegspektruma és a kvantumgravitáció összeegyeztetése a Standard Modellel.
Összefoglalva: az elemi részecskék a természet legkisebb ismert építőkövei, amelyek különböző kvantumtulajdonságokkal rendelkeznek; viselkedésüket a Standard Modell írja le nagyon sikeresen, ugyanakkor több alapvető kérdésre — például a gravitáció kvantumelméleti leírására és a sötét anyag természetére — még nincs végleges válasz.
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.
Keres