Fizyka cząstek elementarnych

Strumień cząstek elementarnych po zderzeniu dwóch jonów złota o energiach 100 GeV na nukleon (detektor STAR z RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider)).

Fizyka cząstek elementarnych, fizyka wielkich energii – dział fizyki, którego celem jest badanie cząstek atomowych oraz oddziaływań zachodzących między nimi.

Fizycy zaobserwowali kilkaset cząstek elementarnych (subatomowych). Dzielą się one na kilka grup, w zależności od:

• masy
• wartości ładunku elektrycznego, liczby barionowej, liczby leptonowej, izospinu, hiperładunku, koloru, dziwności,
• spinu (podział na fermiony i bozony) (momentu magnetycznego)
• rodzaju oddziaływań jakim ulegają

foton | (bozon) $\gamma$
Leptony | (fermiony) e-, μ-, τ-, νe, νμ, ντ
Hadrony | Mezony | (bozon) p, K, ω, ρ
	Bariony | (fermion) p, n, (Nukleony) Λ, Σ, Ξ (Hiperony)

Cząstki elementarne dzielą się na cząstki "prawdziwie" elementarne, uważane za niepodzielne i dlatego uznawane za podstawowe składniki materii, oraz hadrony (bariony np.: proton i neutron) i mezony, które są cząstkami złożonymi, zbudowanymi z 2 (dokładnie z kwarku i antykwarku) lub 3 kwarków. Jedynymi trwałymi cząstkami są protony i neutrony (neutron jest trwały w jądrze atomowym, poza nim rozpada się z okresem półrozpadu ok. 13 min).

Cząstki elementarne nie oddziałujące silnie a jedynie słabo lub elektromagnetyczne i będące fermionami nazywamy leptonami (np. elektron, mion, taon, neutrina).

Cząstkami elementarnymi są również bozony pośredniczące w oddziaływaniach (fotony (elektrodynamika kwantowa), bozony W, bozony Z (oddziaływania słabe) czy gluony (oddziaływanie silne).

Pojęcie "cząstki elementarne" jest uwarunkowane historycznie, zostało wprowadzone na początku XX wieku jako określenie podstawowych cząstek które nie są już podzielne, oznaczało wówczas: proton, neutron, elektron i foton. Obecnie za niepodzielne (bez struktury wewnętrznej) uważa się kwarki, leptony i bozony przenoszące oddziaływania.

Typ fermionu	Nazwa	Symbol	Ładunek elektryczny	Izospin	ładunek silny (kolor)	Masa
Lepton	Elektron	e-	-1	-1/2	0	0,511 MeV/c²
	Mion	μ-	-1	-1/2	0	105,6 MeV/c²
	Taon	τ-	-1	-1/2	0	1,784 GeV/c²
	Neutrino elektronowe	νe	0	+1/2	0	< 50 eV/c²
	Neutrino mionowe	νμ	0	+1/2	0	< 0,5 MeV/c²
	Neutrino taonowe	ντ	0	+1/2	0	< 70 MeV/c²
Kwark	górny	u	+2/3	+1/2	R/G/B	~5 MeV/c²
	powabny	c	+2/3	+1/2	R/G/B	~1.5 GeV/c²
	prawdziwy	t	+2/3	+1/2	R/G/B	>30 GeV/c²
	dolny	d	-1/3	-1/2	R/G/B	~10 MeV/c²
	dziwny	s	-1/3	-1/2	R/G/B	~100 MeV/c²
	piękny	b	-1/3	-1/2	R/G/B	~4,7 GeV/c²

Choć później znaleziono wiele innych cząstek i stwierdzono, że wiele z nich składa się ze znacznie prostszych, pozostawiono użycie tego określenia do wszystkich subatomowych cząstek.

Bozon pośredniczący	Masa·c²	Spin	Ładunek
foton	0	1	0	oddziaływanie elektromagnetyczne
Z0	~ 91 GeV	1	0	oddziaływanie słabe
W+	~ 80 GeV	1	1
W−	~ 80 GeV	1	-1
Gluon	0	1	0	oddziaływanie silne
(Grawiton)	0	2	0	grawitacja

Zobacz też

• Model Standardowy, bozon Higgsa
• Chromodynamika kwantowa
• Elektrodynamika kwantowa
• akceleratory cząstek elementarnych

Bibliografia

• "Boska cząstka: jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?" – Leon Lederman, Dick Teresi (ISBN 83-86868-10-4) (pol.)
• Opis fizyki cząstek elementarnych, rozdział 1, rozdział 2... (pol.)
• University of California: Particle Data Group (ang.)
• High-Energy Physics Literature Database (ang.)