Subatomárna častica je častica menšia ako atóm. To znamená, že je veľmi, veľmi malá. Podobne ako atómy a molekuly, aj subatomárne častice sú príliš malé na to, aby ich bolo možné vidieť voľným okom. Je tiež veľmi zaujímavá pre vedcov, ktorí sa snažia lepšie pochopiť atómy. Bežne skúmané subatomárne častice sú tie hlavné, ktoré tvoria atómy: protóny, neutróny a elektróny. Štúdium subatomárnych častíc sa nazýva časticová fyzika.

Tieto častice sú v atóme často držané pohromade jednou zo štyroch základných síl (gravitácia, elektromagnetická sila, silná sila alebo slabá sila). Mimo atómu sa častice často pohybujú veľmi, veľmi rýchlo - takmer rýchlosťou svetla, ktorá je veľmi, veľmi vysoká (približne 300 000 kilometrov za sekundu).

Subatomárne častice sa delia na dve skupiny: baryóny a leptóny.

Baryóny sa skladajú z kvarkov, zatiaľ čo leptóny sa považujú za jedny z najmenších častíc, tzv. elementárnych častíc. Baryóny majú dané baryónové číslo. Pri reakciách sa musí baryónové číslo zachovať, čo znamená, že na začiatku aj na konci reakcie musí byť rovnaký počet baryónov. Baryónové častice sú tvorené kombináciou 3 zo 6 kvarkov, ktoré patria medzi najmenšie častice. Šesť typov kvarkov je hore, dole (tvoria protóny a neutróny), zvláštny, charm, top a bottom.

Leptóny sú vo všeobecnosti oveľa menšie ako baryóny. Do tejto kategórie patria elektróny, miony, Taus a neutrína. Leptóny sa neskladajú z kvarkov a nie sú deliteľné.

Pre každý z týchto typov existuje aj antičastica. Antičastice majú rovnakú hmotnosť ako ich normálne náprotivky, len majú opačný elektrický náboj. Antihmota a hmota nemôžu existovať blízko seba. Vždy, keď sa hmota a antihmota zrazia, navzájom sa zničia s obrovským uvoľnením energie rovnajúcej sa E=mc2, kde m je kombinovaná hmotnosť častíc, c je rýchlosť svetla a E je vzniknutá energia. Tieto zrážky sa často uskutočňujú vo veľkých urýchľovačoch častíc, kde sa energia môže premeniť opačným spôsobom, na hmotu podľa tej istej rovnice. Takto môže vzniknúť množstvo zvláštnych, často ťažkých (veľkohmotných) častíc, ktoré existujú len krátky čas.

Väčšina objavených častíc vzniká urýchľovaním častíc a ich zrážkami s inými časticami, pričom vznikajú obrovské spŕšky nových subatomárnych častíc, ktoré sa extrémne rýchlo rozpadajú. Keďže sa však častice pohybujú rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla, začínajú platiť zákony špeciálnej relativity a dochádza k dilatácii času. To znamená, že čas pre častice plynie pomalšie a môžu sa pohybovať (a byť merané) na väčšiu vzdialenosť, než by predpovedala veda bez relativity.

Klasifikácia častíc a doplňujúce kategórie

Okrem baryónov a leptónov existuje ešte dôležitá skupina hadrónov nazývaná mezóny. Mezóny sú zložené z kvarku a antikvarku (napríklad piony, kaóny) a spolu s baryónmi tvoria hadróny — častice viazané silnou interakciou. Kým baryóny (ako protón a neutrón) majú tri kvarky, mezóny majú práve dvojicu kvark–antikvark.

Kvarky majú ďalšiu dôležitú vlastnosť nazývanú farebný náboj (color charge). Silnú interakciu sprostredkovávajú gluóny, ktoré prenášajú tento farebný náboj. Kvarky sa kvôli tomu nikdy nepozorujú osamote — sú uväznené v hadrónoch (fenomén nazývaný confinement). Silná sila sa prejavuje aj ako zvyšková jadrová sila, ktorá drží pohromade protóny a neutróny v jadre atómu.

Základné sily a výmenné častice

Štyri základné sily časticovej fyziky a ich nosiče sú:

  • elektromagnetická sila — sprostredkovaná fotónom (photon), pôsobí medzi nabitými časticami;
  • silná (jadrová) sila — sprostredkovaná gluónmi, viaže kvarky v hadrónoch a viazané jadrové systémy;
  • slabá sila — sprostredkovaná bosónmi W+, W− a Z0, zodpovedá za procesy ako beta rozpad a zmenu chutí (flavour) kvarkov;
  • gravitácia — extrémne slabá na úrovni častíc; v kvantovej teórii by ju sprostredkovával graviton, ktorý je zatiaľ hypotetický.

Do štandardného obrazu (Standard Model) patrí aj Higgsov mechanizmus a Higgsov bozón, ktorý vysvetľuje, ako niektoré elementárne častice získavajú hmotnosť. Higgsov bozón bol experimentálne objavený v roku 2012.

Leptóny, neutrína a generácie

Leptóny existujú v troch rodinách (generáciách):

  • elektrón (e) a elektronové neutríno (νe);
  • mión (μ) a miónové neutríno (νμ);
  • tau (τ) a tau neutríno (ντ).

Neutrína majú veľmi malú, ale nenulovú hmotnosť a môžu meniť svoju „chuť“ pomocou fenoménu nazývaného oscilácie neutrín. Preto sú ťažko detegovateľné — prechádzajú hmotou takmer bez interakcie.

Antičastice, anihilácia a asymetria hmoty

Pre každú elementárnu časticu existuje antičastica s rovnakou hmotnosťou, ale opačným elektrickým nábojom (ak má častica nabitý náboj). Pri stretnutí častice s jej antičasticou dochádza k anihilácii, ktorá uvoľní energiu podľa E=mc2. Naopak, v energetických zrážkach môže energia vytvárať páry hmota–antihmota (pair production).

Všetky tieto procesy poukazujú na zaujímavý problém moderného výskumu: prečo náš vesmír obsahuje viac hmoty než antihmoty. Táto nerovnováha súvisí s narušením symetrií (CP porušenie) v určitých rozpadových procesoch a je predmetom aktívneho štúdia.

Konzervované veličiny a symetrie

Pri reakciách v časticovej fyzike sa zachovávajú rôzne veličiny: energia, hybnosť, elektrický náboj, baryónové číslo, leptonové číslo (v mnohých procesoch), a farebný náboj v rámci silnej interakcie. Niektoré z týchto pravidiel môžu byť porušené pri veľmi špecifických procesoch alebo len v určitých rozmeroch (napr. porušenie CP).

Experimentálne štúdium a detektory

Časticoví fyzici používajú veľké urýchľovače častíc, kde sa tvoria vysokoenergetické zrážky, a potom zapisujú výsledné stopy v zložitých detektoroch (stopové komory, dráhové detektory, kalorimetre, Čerenkovove detektory a ďalšie). Pozorovania z týchto experimentov nám poskytujú údaje o životnostiach častíc, rozpadoch, rozložení energie a vlastnostiach nových, krátko žijúcich častíc.

Okrem urýchľovačov sa subatomárne častice študujú aj v prirodzenom prostredí — napríklad v kozmickom žiarení. Súčasné veľké experimenty (ako LHC v CERN-e) aj menšie špecializované experimenty prispievajú k rozširovaniu našich vedomostí o Štandardnom modeli a hľadajú nové javy, ktoré by naznačovali fyziku za štandardným modelom (tmavá hmota, supersymetria a pod.).

Krátke zhrnutie

Subatomárne častice tvoria základnú stavebnú sadu hmoty a síl vo vesmíre. Ich štúdium zahŕňa kvarky, leptóny, hadróny, mechanizmy interakcie (gluóny, fotóny, W/Z), ako aj zložité javy ako neutrínové oscilácie, anihilácia hmota–antihmota, a vplyv relativity pri rýchlych časticiach. Pokročilé experimentálne metódy v urýchľovačoch a detektoroch umožňujú odhaľovať stále jemnejšie detaily tejto mikroskopickej ríše.