Cząstka elementarna

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Ujednoznacznienie Ten artykuł dotyczy zagadnienia związanego z fizyką. Zobacz też: inne znaczenie tej nazwy.

Cząstka elementarna – w fizyce, cząstka, będąca podstawowym budulcem, czyli najmniejszym i nieposiadającym wewnętrznej struktury. Niemniej pojęcie to ze względów historycznych ma trochę inne znaczenie.

Badaniem tych cząstek zajmuje się fizyka cząstek elementarnych.

Historia[edytuj | edytuj kod]

Pojęcie cząstki elementarne wprowadzono w latach 1930-1935 i oznaczało ono elektron, proton, neutron i kwant pola elektromagnetycznego (foton). W tamtych czasach uznawano, że cała materia zbudowana jest z tych cząstek.

W latach późniejszych odkryto miony, mezony, hiperony i wiele innych cząstek oraz ich antycząstki, początkowo wszystkie były uznane za elementarne. Obecnie znanych jest ponad 200 takich cząstek[1], większość z nich współcześnie nie jest już uważana za elementarne.

Próby zmiany definicji[edytuj | edytuj kod]

Wśród fizyków nie ma obecnie jednomyślności w uznaniu definicji cząstki elementarnej, choć przeważa pogląd:

Cząstkami elementarnymi są te wszystkie cząstki, które są niezbędne do wyjaśnienia własności wszystkich form materii, i tylko te, których nie można wyjaśnić przez inne cząstki. Z definicji tej wynika, że są one jednocześnie podstawowym budulcem materii i nie posiadają wewnętrznej struktury.

Tak zwana hipoteza demokracji cząstek zakłada, że wszystkie cząstki są sobie nawzajem potrzebne i nawzajem tłumaczą się teoretycznie. W myśl tego poglądu oraz ze względów historycznych terminu cząstki elementarne używa się czasem także w odniesieniu do hadronów (czyli do kilkuset cząstek jak proton, czy neutron, niebędących w istocie cząstkami elementarnymi).

Terminu tego używa się jednak tylko w kontekście, w którym nie powoduje on niejednoznaczności, co do znaczenia w jakim się go używa.

Niejednoznaczności w definicji spowodowało wprowadzenie pojęcia cząstki fundamentalne określające cząstki elementarne w myśl pierwszej definicji.

Ścisła definicja cząstek elementarnych (w znaczeniu fundamentalnych) oznacza, że w miarę postępu badań pewne cząstki mogą przestać być uznawane za elementarne.

Cząstki elementarne w strukturze materii[edytuj | edytuj kod]

Z cząstek elementarnych zbudowane są wszystkie inne cząstki. Na przykład atomy zbudowane są z mniejszych cząstek takich jak elektrony, protony i neutrony. Protony i neutrony są również cząstkami złożonymi z innych, bardziej podstawowych cząstek – kwarków. Najważniejszym problemem w fizyce cząstek jest znalezienie czegoś, co można uznać za cząstki fundamentalne, z których, jak z budulca, złożone byłyby wszystkie inne cząstki „elementarne”, a które same nie byłyby już złożone z niczego innego.

Cząstki elementarne modelu standardowego[edytuj | edytuj kod]

Model standardowy wprowadza 12 cząstek, z których zbudowana jest materia[2], zwanych fermionami i 12 cząstek, odpowiedzialnych za przenoszenie oddziaływań między innymi cząstkami, zwanych bozonami („cząstek promieniowania”).

Fermiony[edytuj | edytuj kod]

Dwanaście rodzajów fermionów podzielonych jest na trzy rodziny, po cztery cząstki w każdej. Sześć z nich to kwarki, pozostałe sześć to leptony. Trzy z leptonów są neutrinami (obojętnymi elektrycznie), dalsze trzy mają ładunek elektryczny -1: elektron, mion i taon.

rodzina I rodzina II rodzina III ładunek elektryczny
elektron (e)
neutrino elektronowe (νe)
mion (μ)
neutrino mionowe (νμ)
taon (τ)
neutrino taonowe (ντ)
–1
0
leptony
kwark górny (u)
kwark dolny (d)
kwark powabny (c)
kwark dziwny (s)
kwark wysoki (t)
kwark niski (b)
+2/3
–1/3
kwarki

Oprócz tego należy uwzględnić dwanaście rodzajów antycząstek do wymienionych tu fermionów. Antycząstką elektronu jest pozyton (e+) o ładunku +1, dodatni mion μ+ jest antycząstką mionu, zaś dodatni taon τ+ antycząstką taonu. Antykwarkami są: antykwark górny \bar{u}, antykwark dolny \bar{d}, antykwark powabny \bar{c}, antykwark dziwny \bar{s}, antykwark wysoki \bar{t} i antykwark niski \bar{b}. Antyneutrina to antyneutrino elektronowe \bar{\nu}_e, antyneutrino mionowe \bar{\nu}_\mu i antyneutrino taonowe \bar{\nu}_\tau.

Jak dotąd nigdy nie zaobserwowano kwarków i antykwarków w stanie wolnym, tzn. niepołączonych w inne cząstki. Kwark może łączyć się z antykwarkiem, tworząc mezon: kwarki charakteryzują się „kolorem” – odpowiedni antykwark obdarzony jest wówczas „antykolorem”. Kolor i antykolor znoszą się wzajemnie, dając w wyniku kolor biały, co oznacza kolor obojętny (nie ma to nic wspólnego z kolorami widzianymi, jedynie taka jest terminologia). Kwarki mogą też łączyć się z innymi kwarkami w grupy po trzy, tworząc bariony: kwark „czerwony” łączy się z „zielonym” i „niebieskim”. Ich kolory znów znoszą się dając kolor biały, czyli znów brak ładunku koloru. Trzy antykwarki, „antyczerwony”, „antyzielony” i „antyniebieski” w połączeniu dają antybarion o kolorze „antybiałym”, co oznacza, że antybarion również nie przejawia ładunku koloru. Kolor i antykolor są jedynie cechami kwarków i antykwarków i nie mogą istnieć oddzielnie od nich.

Same kwarki mogą przenosić ładunek elektryczny, który jest ułamkową częścią ładunku elementarnego, ale jak dotąd w przyrodzie nie został on zaobserwowany – model standardowy przewiduje, że kwarki łączą się w taki sposób, że wypadkowy ładunek powstałej cząstki jest całkowitą krotnością ładunku elementarnego. Ładunek przenoszony przez kwarki może być równy +2/3 lub -1/3 ładunku elementarnego, antykwarki przenoszą wówczas ładunek -2/3 lub +1/3.

Bozony[edytuj | edytuj kod]

Struktura mezonu pi (tzw. pionu (\pi^{+}=u\bar{d}) złożonego z kwarka górnego i antykwarka dolnego związanych silnym oddziaływaniem przenoszonym przez gluony.

Z 12 rodzajów bozonów 8 to tak zwane gluony. Są to obojętne cząstki o masie spoczynkowej zero, obdarzone jednocześnie „kolorem” i „antykolorem”. Gluony są podobne do mezonów, jednak są kolejnym rodzajem cząstek fundamentalnych – nie są zbudowane z kwarków, ani nie są kwarkami. W przypadku gluonów kolor i antykolor nie znoszą się wzajemnie: istnieją gluony niosące kolor „czerwony”/„antyzielony”, co w przypadku mezonów nie jest możliwe. Gluony są odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań silnych.

Z pozostałych bozonów fundamentalnych trzy: wuony (W+, W) i zeton (Z0), są odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań słabych. Ostatnim bozonem fundamentalnym jest foton, który pośredniczy w przenoszeniu oddziaływań elektromagnetycznych. Bozonami, czyli cząstkami o spinie całkowitym, są również mezony. Jako złożone z kwarków nie są jednak bozonami fundamentalnymi.

Nowe teorie[edytuj | edytuj kod]

Obecnie zaczyna panować przekonanie, że model standardowy jest teorią tymczasową i trwają intensywne prace nad znalezieniem teorii bardziej podstawowej – być może cząstki uważane za „elementarne” przez model standardowy, w nowej teorii okażą się cząstkami złożonymi; fizycy mają też nadzieję, że będzie ona zawierała cząstki nieujęte w modelu standardowym. Chodzi tu przede wszystkim o hipotetyczne grawitony, które miałyby być odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań grawitacyjnych. Ogólna teoria miałaby łączyć wreszcie wszystkie cztery typy podstawowych oddziaływań w przyrodzie.

Według teorii superstrun, każda cząstka fundamentalna jest przejawem innego rodzaju drgań superstruny (struny drgają bezustannie w sposób podobny jak fale stojące: cząstki miałyby być obrazem drgań analogicznie jak orbitale atomowe w modelu atomu Bohrawęzłami fali stojącej według teorii fal materii). Wszystkie struny są takie same, różne są jedynie sposoby ich wibracji. Masywniejsze cząstki odpowiadają drganiom strun o większej energii. W teorii superstrun jednakże cząstki nie zawierają strun – one są strunami.

Istnieje też grupa modeli zwanych supersymetrycznymi. Przewiduje ona, że każda ze znanych cząstek ma swego, nieodkrytego jeszcze, supersymetrycznego partnera, zwanego s-cząstką. S-cząstki mają większą masę niż „zwykłe” cząstki: rozważania teoretyczne sugerują, że masa ich może leżeć w obszarze kilkuset GeV do 1 TeV, czyli nieco poza zasięgiem istniejących akceleratorów.

W mechanice kwantowej dekoherencja kwantowa zakłada ponadto oddziaływanie obiektu z otoczeniem w sposób nieodwracalny eliminujące splątanie kwantowe. Stan kwantowy jest stanem superpozycji. Zgodnie z wynikami badań nie ma nigdzie żadnych cząstek elementarnych póki nie nastąpi ich obserwacja, tj. dekoherencja kwantowa[3].

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Wikiquote-logo.svg
Zobacz w Wikicytatach kolekcję cytatów
o cząstce elementarnej

Przypisy

  1. C. Amsler et al. (Particle Data Group), 2008 Review of Particle Physics, Physics Letters, B667, 1 (2008) and 2009 partial update for the 2010 edition wylicza około 220 cząstek o statusie „pewne” lub „niemal pewne” (nie licząc antycząstek).
  2. Według innej definicji materię stanowią także bozony.
  3. Bruce Rosenblum, Fred Kuttner, Quantum Enigma: Physics Encounters Consciousness, Second Edition, Oxford University Press; 2011, ISBN 0199753814.