Fundamentálna častica

Elementárna častica alebo fundamentálna častica je vo fyzike častica, ktorá nie je zložená z iných častíc.

Elementárna častica môže byť jednou z dvoch skupín: fermion alebo bozón. Fermóny sú stavebnými prvkami hmoty a majú hmotnosť, zatiaľ čo bozóny sa správajú ako nosiče síl pre fermónové interakcie a niektoré z nich nemajú hmotnosť. Štandardný model je najprijateľnejší spôsob, ako vysvetliť správanie častíc a sily, ktoré na ne pôsobia. Podľa tohto modelu sa elementárne častice ďalej rozdeľujú na kvarky, leptóny a meracie bozóny, pričom Higgsovbozón má osobitné postavenie ako nemerací bozón.

Z častíc, ktoré tvoria atóm, je elementárnou časticou iba elektrón. Protóny a neutróny sú zložené z troch kvarkov, čo z nich robí kompozitné častice, teda častice, ktoré sú zložené z iných častíc. Kvarky sú navzájom spojené gluónmi. Jadro má bozónové polia pionov zodpovedné za silnú jadrovú silu, ktorá spája protóny a neutróny proti elektrostatickému odpudzovaniu medzi protónmi. Takéto virtuálne piony sú zložené z kvarkových antikvarkových párov, ktoré opäť držia pohromade gluóny.

Elementárnu časticu charakterizujú tri základné vlastnosti: Hmotnosť", "náboj" a "spin". Každej vlastnosti je priradená číselná hodnota. Pre hmotnosť a náboj môže byť číslo nulové. Napríklad fotón má nulovú hmotnosť a neutríno má nulový náboj. Tieto vlastnosti zostávajú pre elementárne častice vždy rovnaké.

Hmotnosť: Častica má hmotnosť, ak je na zvýšenie jej rýchlosti alebo zrýchlenie potrebná energia. V tabuľke napravo sú uvedené hmotnosti jednotlivých elementárnych častíc. Hodnoty sú uvedené v MeV/c2s (teda vyslovené megaelektrónvolty na "c" na druhú), t. j. v jednotkách energie na druhú rýchlosť svetla. To vyplýva zo špeciálnej teórie relativity, ktorá hovorí, že energia sa rovná hmotnosti krát kvadrát rýchlosti svetla. Všetky častice s hmotnosťou vytvárajú gravitáciu. Všetky častice sú ovplyvnené gravitáciou, dokonca aj častice bez hmotnosti, ako je fotón (pozri všeobecnú teóriu relativity).
Elektrický náboj: Častice môžu mať kladný alebo záporný náboj, prípadne žiadny. Ak má jedna častica záporný náboj a druhá častica kladný, tieto dve častice sa navzájom priťahujú. Ak majú obe častice záporný náboj, alebo ak majú obe častice kladný náboj, obe častice sa od seba odpútavajú. Na malé vzdialenosti je táto sila oveľa silnejšia ako gravitačná sila, ktorá všetky častice priťahuje k sebe. Elektrón má náboj -1. Protón má náboj +1. Neutrón má priemerný náboj 0. Normálne kvarky majú náboj ⅔ alebo -⅓.
Spin: Uhlový moment alebo konštantné otáčanie častice má určitú hodnotu, ktorá sa nazýva spinové číslo. Spin pre elementárne častice je jedna alebo ½. Vlastnosť spinu častíc označuje len prítomnosť uhlového momentu hybnosti. V skutočnosti sa častice neotáčajú.

Hmotnosť a náboj sú vlastnosti, s ktorými sa stretávame v každodennom živote, pretože gravitácia a elektrina ovplyvňujú veci, ktoré ľudia vidia a ktorých sa dotýkajú. Spin však ovplyvňuje len svet subatomárnych častíc, takže ho nemožno priamo pozorovať.

Štandardný model elementárnych častíc. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.

Fermóny

Fermióny (pomenované podľa vedca Enrica Fermiho) majú spinové číslo ½ a sú to kvarky alebo leptóny. Existuje 12 rôznych typov fermiónov (bez antihmoty). Každý typ sa nazýva "príchuť". Chuťami sú:

Kvarky: hore, dole, čarovné, zvláštne, hore, dole. Kvarky sa vyskytujú v troch pároch, ktoré sa nazývajú "generácie". Prvá generácia (hore a dole) je najľahšia a tretia (hore a dole) je najťažšia. Jeden člen každého páru (hore, charm a hore) má náboj ⅔. Druhý člen (dole, čudo a dno) má náboj -⅓.
Leptóny: elektrón, mión, tauón, elektrónové neutríno, miónové neutríno, tauónové neutríno. Neutrína majú náboj 0, preto majú predponu neutr-. Ostatné leptóny majú náboj -1. Každé neutríno je pomenované podľa príslušného pôvodného leptónu: elektrón, mión a tauón.

Predpokladá sa, že šesť z 12 fermiónov je večných: kvark nahor a nadol, elektrón a tri druhy neutrín (ktoré si neustále menia príchuť). Ostatné fermóny sa rozpadajú. To znamená, že sa rozpadnú na iné častice zlomok sekundy po ich vytvorení. Fermiho-Diracova štatistika je teória, ktorá opisuje, ako sa správajú súbory fermiónov. V podstate platí, že na tom istom mieste nemôže byť súčasne viac ako jeden fermion.

Bosóny

Bosóny, pomenované po indickom fyzikovi Satjendrovi Nathovi Boseovi, majú spin 1. Hoci väčšina bozónov sa skladá z viac ako jednej častice, existujú dva druhy elementárnych bozónov:

Gauge bozóny: gluóny, W+a W-bozóny, Z0bozóny a fotóny. Tieto bozóny prenášajú 3 zo 4 základných síl a majú spinové číslo 1;

Gluón: Gluóny sú častice bez hmotnosti a náboja, ktoré sú nositeľmi silnej silovej interakcie. Spolu s kvarkami sa spájajú do zložených častíc nazývaných hadróny, medzi ktoré patria protóny a neutróny.
W a Z bozóny: W a Z bozóny sú častice, ktoré prenášajú slabú silu. Bosón W má časticu hmoty (W+) a časticu antihmoty (W-), zatiaľ čo bozón Z je jeho vlastnou antičasticou. Bosón W vzniká pri beta rozpade, ale takmer okamžite sa mení na neutríno a elektrón. Bosóny W a Z boli objavené v roku 1983.
Fotón: Fotóny sú častice bez hmotnosti a náboja, ktoré prenášajú elektromagnetickú silu. Fotóny môžu mať určitú frekvenciu, ktorá určuje, akým elektromagnetickým žiarením sú. Rovnako ako všetky ostatné bezhmotné častice sa pohybujú rýchlosťou svetla (300 000 km/s).

Higgsov bozón: Fyzici sa domnievajú, že hmotné častice majú hmotnosť (t. j. nie sú to čisté zväzky energie ako fotóny) vďaka Higgsovej interakcii.

Fotón a gluóny nemajú náboj a sú jedinými elementárnymi časticami, ktoré majú s určitosťou hmotnosť 0. Fotón je jediný bozón, ktorý sa nerozpadá. Boseho-Einsteinova štatistika je teória, ktorá opisuje, ako sa správajú súbory bozónov. Na rozdiel od fermiónov je možné, aby sa v tom istom priestore súčasne nachádzalo viac ako jeden bozón.

Štandardný model zahŕňa všetky vyššie opísané elementárne častice. Všetky tieto častice boli pozorované v laboratóriu.

Štandardný model nehovorí o gravitácii. Ak gravitácia funguje rovnako ako ostatné tri základné sily, potom je nositeľom gravitácie hypotetický bozón nazývaný gravitón. Gravitón sa zatiaľ nepodarilo nájsť, preto nie je zahrnutý vo vyššie uvedenej tabuľke.

Prvým objaveným fermiónom, o ktorom vieme najviac, je elektrón. Prvým objaveným bozónom, o ktorom vieme najviac, je fotón. Teória, ktorá najpresnejšie vysvetľuje, ako spolu fungujú elektrón, fotón, elektromagnetizmus a elektromagnetické žiarenie, sa nazýva kvantová elektrodynamika.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo sú to elementárne častice?

Odpoveď: Elementárne častice sú častice, ktoré nie sú zložené z iných častíc.

Otázka: Do koľkých skupín patria elementárne častice?

Odpoveď: Elementárne častice môžu patriť do jednej z dvoch skupín, fermiónov alebo bozónov.

Otázka: Čo je to štandardný model?

Odpoveď: Štandardný model je najprijateľnejší spôsob, ako vysvetliť správanie častíc a sily, ktoré ich ovplyvňujú.

Otázka: Ako sú elementárne častice rozdelené do skupín podľa štandardného modelu?

Odpoveď: Podľa Štandardného modelu sa elementárne častice ďalej delia na kvarky, leptóny a meracie bozóny, pričom Higgsov bozón má zvláštne postavenie ako nemerací bozón.

Otázka: Považujú sa protóny a neutróny za elementárne častice?

Odpoveď: Nie, protóny a neutróny sa nepovažujú za elementárne častice, pretože každý z nich sa skladá z troch kvarkov, čo z nich robí zložené častice - to znamená, že sa skladajú z iných menších častíc.

Otázka: Aké vlastnosti charakterizujú elementárne častice?

Odpoveď: Existujú tri základné vlastnosti, ktoré opisujú elementárnu časticu - hmotnosť, náboj a spin - každej vlastnosti je priradená číselná hodnota.

Otázka: Ovplyvňuje gravitácia všetky typy častíc, dokonca aj tie, ktoré nemajú hmotnosť, ako napríklad fotóny?

Odpoveď: Áno, všetky typy častíc vrátane tých, ktoré nemajú hmotnosť, ako napríklad fotóny, pociťujú gravitáciu v dôsledku všeobecnej relativity.