Cząstka elementarna

Rozmowa z prof. Marianem Kozielskim. Podkast z serii Nauka XXI wieku

Cząstka elementarna – 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

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

Wśród fizyków nie ma obecnie jednomyślności w uznaniu definicji cząstki elementarnej, choć przeważa pogląd, że 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 rozumiany jest jednoznacznie.

Niejednoznaczności w definicji spowodowały 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^[2].

Cząstki elementarne w strukturze materii

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

Model standardowy wprowadza:

12 cząstek, z których zbudowana jest materia^[a], zwanych fermionami;
12 cząstek, odpowiedzialnych za przenoszenie oddziaływań między innymi cząstkami, zwanych bozonami („cząstek promieniowania”).

Fermiony

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 (ν_e)

mion (μ)

neutrino mionowe (ν_μ)

taon (τ)

neutrino taonowe (ν_τ)

–1

0

+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 $\mu ^{+}$ jest antycząstką mionu, zaś dodatni taon $\tau ^{+}$ antycząstką taonu. Antykwarkami są: antykwark górny ${\overline {u}},$ antykwark dolny ${\overline {d}},$ antykwark powabny ${\overline {c}},$ antykwark dziwny ${\overline {s}},$ antykwark wysoki ${\overline {t}}$ i antykwark niski ${\overline {b}}.$ Antyneutrina to antyneutrino elektronowe ${\overline {\nu }}_{e},$ antyneutrino mionowe ${\overline {\nu }}_{\mu }$ i antyneutrino taonowe ${\overline {\nu }}_{\tau }.$

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

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 $(Z^{0}),$ 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

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 Bohra są węzłami 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

Kalendarium odkryć cząstek elementarnych

Uwagi

↑ Według innej definicji materię stanowią także bozony.

Przypisy

↑ 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).
↑ Cząstki elementarne, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2021-07-22] .
↑ Bruce Rosenblum, Fred Kuttner, Quantum Enigma: Physics Encounters Consciousness, Second Edition, Oxford University Press; 2011, ISBN 0-19-975381-4.

Linki zewnętrzne

Podstawowe informacje o cząstkach elementarnych
GrzegorzG. Białkowski GrzegorzG., Na pytanie co to jest czastka elementarna odpowiada, „Delta”, styczeń 1974, ISSN 0137-3005 [dostęp 2023-12-09] .
Don Lincoln, Big Questions: The Ultimate Building Blocks of Matter (ang.), kanał Fermilabu na YouTube, 6 listopada 2013 [dostęp 2023-05-22] – nagranie o niektórych znanych i spekulowanych cząstkach elementarnych.

[3] Według innej definicji materię stanowią także bozony.

[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] Cząstki elementarne, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2021-07-22] .

[4] Bruce Rosenblum, Fred Kuttner, Quantum Enigma: Physics Encounters Consciousness, Second Edition, Oxford University Press; 2011, ISBN 0-19-975381-4.

[1]

[2]

[a]

[3]

Elektrony i dziury	elektron dziura ekscyton trion biekscyton
Fonony i pokrewne	fonon bipolaron polaron polaryton
Separacja spinowo-ładunkowa	holon orbiton spinon
Odpowiedniki cz. elementarnych	anyon fermion Majorany monopol magnetyczny skyrmion
Inne	fazon frakton konfiguron lewiton magnon plazmaron plazmon roton soliton Dawydowa