Cząstki elementarne

Cząstki elementarne Modelu Standardowego
! Kwarki ! Wymień cząsteczki
! Leptony ! bozon Higgsa

Cząstki elementarne to niepodzielne cząstki subatomowe i najmniejsze znane elementy budulcowe materii . Z punktu widzenia fizyki teoretycznej są to najniższe poziomy wzbudzenia niektórych pól . Według dzisiejszej wiedzy, która została zabezpieczona przez eksperymenty i podsumowane w standardowym modelu z fizyki cząstek elementarnych , istnieje

Na początku daje to 37 cząstek elementarnych. Istnieją również antycząstki : osiemnaście antykwarków i sześć antyleptonów. Antycząstki ośmiu gluonów są już uwzględnione. Cząstki foton , Z 0 i bozon Higgsa są ich własnymi antycząstkami, a W + / W - są ich wzajemnymi antycząstkami. W tej liczbie jest zatem łącznie 61 typów cząstek elementarnych.

Materia oraz siła i pola promieniowania silnych, słabych i elektromagnetycznych oddziaływań składają się z tych cząstek o różnym składzie i stanach. W przypadku pola grawitacyjnego i fal grawitacyjnych leżące pod nim cząstki - grawitony  (G) - były do ​​tej pory hipotetyczne ; w przypadku ciemnej materii są one nadal całkowicie nieznane.

Nazwane cząstki są małe w tym sensie

  • że nie udało się jeszcze uzyskać żadnych wskazówek dotyczących średnicy innej niż zero z eksperymentów. Dlatego teoretycznie zakłada się, że są one punktowe.
  • że zgodnie z obecnym stanem wiedzy nie składają się one z jeszcze mniejszych podjednostek.
  • że nawet mały przedmiot codziennego życia zawiera już biliony (10 21 ) tych cząstek. Na przykład główka szpilki składa się już z 10 22 elektronów i 10 23 kwarków.

Wyjaśnienie terminu

Dalsze cząstki elementarne są przewidywane przez teorie, które wykraczają poza Model Standardowy. Są one jednak określane jako hipotetyczne, ponieważ nie zostały jeszcze udowodnione eksperymentami.

Aż do odkrycia kwarków, wszystkie typy hadronów były również uważane za cząstki elementarne, np . B. budulec rdzenia: proton , neutron , pion i wiele innych. Ze względu na dużą liczbę różnych gatunków, jeden mówił o „zoo cząstek”. Nawet dzisiaj o hadronach mówi się często jako o cząstkach elementarnych, chociaż zgodnie ze standardowym modelem wszystkie składają się z kwarków. B. mają również mierzalną średnicę rzędu 10-15  m. Aby uniknąć nieporozumień, cząstki elementarne wymienione powyżej zgodnie z modelem standardowym są czasami nazywane podstawowymi cząstkami elementarnymi lub cząstkami podstawowymi zwanymi.

Historia i przegląd

materia

Aż do XX wieku filozofowie i naukowcy dyskutowali, czy materia jest kontinuum, które można podzielić w nieskończoność, czy też składa się z cząstek elementarnych, których nie można dalej rozbijać na mniejsze części. Takie cząstki od czasów starożytnych nazywano „atomami” (od greckiego τομος átomos , „niepodzielne”), a nazwa cząstka elementarna (lub angielska cząstka elementarna ) nie pojawiła się przed latami trzydziestymi XX wieku. Najwcześniejsze znane rozważania filozoficzne dotyczące atomów pochodzą ze starożytnej Grecji ( Demokryt , Platon ). Opierając się na wiedzy naukowej, termin ten został po raz pierwszy wypełniony dzisiejszą treścią około 1800 roku, kiedy po pracy Johna Daltona zaczęto akceptować w chemii wgląd, że każdy pierwiastek chemiczny składa się z cząstek, które są ze sobą identyczne. Nazywano je atomami; to imię się utrzymało. Zróżnicowane przejawy znanych substancji i możliwości ich przemian można wytłumaczyć faktem, że atomy łączą się według prostych zasad na różne sposoby, tworząc cząsteczki . Same atomy uznano za niezmienne, a zwłaszcza niezniszczalne. Od 1860 roku ten obraz doprowadził do mechanicznego wyjaśnienia praw gazowych w kinetycznej teorii gazu poprzez nieuporządkowany ruch ciepła wielu niewidocznych małych cząstek. Może to obejmować rzeczywisty rozmiar cząsteczek można określić: są one o wiele rzędów wielkości zbyt małe, aby można je było zobaczyć pod mikroskopem.

Niemniej jednak w XIX wieku obraz ten był nazywany zwykłą „ hipotezą atomową ” i krytykowany z powodów zasadniczych (patrz artykuł Atom ). Dopiero na początku XX wieku zyskał powszechną aprobatę w kontekście współczesnej fizyki . Albert Einstein dokonał przełomu w 1905 roku. Wyprowadził teoretycznie, że niewidoczne małe atomy lub cząsteczki, z powodu ich ruchu termicznego, zderzają się nieregularnie z większymi cząstkami, które są już widoczne pod mikroskopem, tak że one również są w ciągłym ruchu. Był w stanie ilościowo przewidzieć rodzaj ruchu tych większych cząstek, co potwierdził od 1907 roku Jean-Baptiste Perrin poprzez obserwacje mikroskopowe ruchów Browna i równowagi sedymentacji . Uważa się to za pierwszy fizyczny dowód na istnienie cząsteczek i atomów.

Jednocześnie jednak obserwacje radioaktywności wykazały, że atomy, tak jak zostały zdefiniowane w chemii, nie mogą być traktowane w fizyce ani jako niezmienne, ani niepodzielne. Przeciwnie, atomy te mogą być podzielone na powłoki elektronowej z elektronami i jądra atomowego , który z kolei składa się z protonów i neutronów . Elektron, proton i neutron były wtedy uważane za cząstki elementarne, wkrótce razem z wieloma innymi typami cząstek, które zostały odkryte w promieniach kosmicznych z lat 30. XX wieku ( np. Mion , pion , kaon, a także pozyton i inne typy antycząstek ), a od 1950 r. w akceleratorach cząstek.

Ze względu na ich dużą liczbę oraz mylące właściwości i wzajemne relacje, wszystkie te typy cząstek zostały zgrupowane pod nazwą „zoo cząstek” i istniała powszechna wątpliwość, czy wszystkie mogą być naprawdę elementarne w tym sensie, że nie są skomponowane . Pierwszą cechą klasyfikacji było rozróżnienie hadronów i leptonów w latach pięćdziesiątych XX wieku . Hadrony, takie jak protony i neutrony, reagują na silne oddziaływanie , a leptony, jak elektron, tylko na oddziaływanie elektromagnetyczne i / lub słabe . Podczas gdy leptony są nadal uważane za elementarne, „mniejsze” cząstki, kwarki , można było zidentyfikować w hadronach z lat 70 . Sześć typów kwarków to tak naprawdę cząstki elementarne według Modelu Standardowego , z którego wraz z gluonami zbudowane są liczne hadrony cząstek zoo.

Pola

Pola fizyczne, takie jak pole grawitacyjne, pole magnetyczne i pole elektryczne, były i są postrzegane jako kontinuum. Oznacza to, że mają one określone natężenie pola w każdym punkcie przestrzeni, które może zmieniać się przestrzennie i czasowo w sposób ciągły (tj. Bez skoków). Odkrycie, że cząstki elementarne również odgrywają rolę w polu elektromagnetycznym, zostało przygotowane przez Maxa Plancka w 1900 roku i opracowane przez Alberta Einsteina w 1905 roku w formie hipotezy kwantowej światła . Zgodnie z tym swobodne pola elektromagnetyczne, które rozchodzą się jako fale, mogą być wzbudzane lub osłabiane jedynie w skokach wielkości kwantu elementarnego. To, że kwanty elektromagnetyczne mają wszystkie właściwości cząstki elementarnej, było rozpoznawane od 1923 roku w wyniku eksperymentów Arthura Comptona . Pokazał, że pojedynczy elektron zachowuje się w polu promieniowania elektromagnetycznego dokładnie tak, jakby zderzył się tam z pojedynczą cząsteczką. W 1926 roku ten kwant elektromagnetyczny otrzymał nazwę foton .

1930, na podstawie mechaniki kwantowej , że Electrodynamics kwantowe opracowano opisująca powstanie fotonu w procesie i jego zniszczeniu w procesie absorpcji. W kontekście tej teorii okazuje się, że znane statyczne pola elektryczne i magnetyczne są również wynikiem działania fotonów, które jednak generowane i niszczone jako tzw. Cząstki wirtualne . Foton jest kwantem pola pola elektromagnetycznego i pierwszą znaną cząstką wymienną, która powoduje powstanie jednej z fundamentalnych sił fizyki.

Doprowadziło to do dwóch dalszych zmian: Tworzenie i niszczenie cząstek, takich jak elektrony i neutrina obserwowane w radioaktywności beta, było interpretowane jako wzbudzenie lub osłabienie „pola elektronowego” lub „pola neutrinowego”, tak że te cząstki są teraz również postrzegane. jako kwanty pola odpowiadającego im pola (patrz kwantowa teoria pola ). Z drugiej strony poszukiwano cząstek wymiennych i znajdowano inne podstawowe siły: gluon dla oddziaływania silnego (udowodniono w 1979 r.), Bozon W i bozon Z dla oddziaływania słabego (udowodniono w 1983 r.). W przypadku grawitacji, czwartego i zdecydowanie najsłabszego z podstawowych oddziaływań , nadal nie ma uznanej kwantowej teorii pola. Chociaż wszystkie cząstki podlegają grawitacji, skutki, których teoretycznie można się spodziewać w wyniku reakcji cząstek elementarnych, uważa się za nieobserwowalne. W związku z tym model standardowy nie zajmuje się grawitacją, zwłaszcza że związany z nią kwant pola, grawiton , był dotychczas czysto hipotetyczny.

Higgs boson jest kwantowa pole innego nowego pola, która została włożona do pola kwantowej teorii zunifikowanej elektromagnetycznego oddziaływania słabego ( elektrosłabych interakcji ), aby być w stanie teoretycznie formułować konsekwentnie, że zawiera cząsteczki o masie. Nowy typ cząstki odpowiadający tym oczekiwaniom został znaleziony w 2012 roku podczas eksperymentów w Wielkim Zderzaczu Hadronów pod Genewą.

Lista cząstek elementarnych

Podział na fermiony i bozony

Cząstki elementarne
Fermiony elementarne
(„cząsteczki materii”)
Bozony elementarne
 
Leptony
 
Kwarki
 
Bozony kalibracyjne
(„cząstki siły”)
bozon Higgsa
 
ν e , ν μ , ν τ , e - , μ - , τ - d, u, s, c, b, t g , γ , W ± , Z 0 H 0

Przede wszystkim rozróżnia się dwie klasy fermionów i bozonów dla cząstek elementarnych (a także dla cząstek kompozytowych) . Fermiony mają spin pół-całkowity i są zgodne z prawem zachowania liczby cząstek, tak że mogą powstawać lub ginąć tylko razem ze swoimi antycząstkami. Bozony mają spin liczbowy i mogą być tworzone i unicestwiane indywidualnie. Mając na uwadze zachowanie materii w życiu codziennym i fizyce klasycznej, fermiony wśród cząstek elementarnych są zatem często postrzegane jako najmniejsze cząstki materii i są również określane jako cząstki materii . Z drugiej strony bozony wśród cząstek elementarnych są związane z polami, ponieważ siła pola może się zmieniać w sposób ciągły w fizyce klasycznej. Dlatego bozony są często określane jako kwanty siły lub pola promieniowania lub krótko mówiąc jako kwanty pola. Jednak w kwantowej teorii pola fermiony są również kwantami pól odpowiadających im pól. Z cząstek elementarnych w Modelu Standardowym leptony i kwarki należą do fermionów, a cząstki wymienne, a także bozon Higgsa (i - jeśli istnieje - grawiton) należą do bozonów.

Leptony

Leptony to elementarne cząstki materii o spinie , które nie podlegają silnemu oddziaływaniu. Są fermionami i biorą udział w oddziaływaniu słabym, a jeśli są naładowane elektrycznie, w oddziaływaniu elektromagnetycznym.


Ładunek elektryczny
Pokolenie
1 2 3
−1 Elektron (y) Mion (μ) Tauon (τ)
0 Neutrino elektronowee ) Neutrino mionoweμ ) Neutrino tauonowe (ν τ )

Istnieją trzy naładowane elektrycznie leptony (ładunek = −1e): elektron (e), mion (μ) i tauon (lub τ lepton) (τ) oraz trzy elektrycznie obojętne leptony: neutrino elektronowee ), neutrino mionowe (ν μ ) i neutrino tauonowe (ν τ ). Leptony są ułożone w trzy pokolenia lub rodziny : (ν e , e), (ν μ , μ) i (ν τ , τ). Każda rodzina ma własną liczbę leptonów, która jest zawsze zachowana, z wyjątkiem oscylacji neutrin .

Dla każdego z tych typów leptonów istnieje odpowiedni typ antycząstki , który jest ogólnie identyfikowany przez poprzedzającą sylabę anty- . Tylko antycząstka elektronu, która była pierwszą odkrytą antycząstką, nazywana jest pozytonem . W obserwacjach nigdy nie zdarza się, że gdy generowany jest antylepton, nie powstaje również lepton lub inny antylipton nie ulega zniszczeniu. Opisuje tę sytuację jako zachowanie liczby leptonów ( zwanych również Leptonenladung ) dla każdego leptonu i dla każdego antyleptona , całkowita wartość pozostaje stała. Zachowanie liczby leptonów dotyczy wszystkich procesów tworzenia i anihilacji leptonów i antyleptonów. Teorie wykraczające poza Model Standardowy spekulowały na temat możliwych naruszeń tego prawa, ale nie zostały one jeszcze zaobserwowane i dlatego są hipotetyczne.

Jedynymi stabilnymi leptonami są elektron i pozyton. Miony i tauony spontanicznie rozpadają się, przekształcając się w lżejszy lepton o tym samym ładunku elektrycznym, neutrino i antyneutrino, poprzez oddziaływanie słabe. Alternatywnie, tauony mogą rozpadać się na neutrino i hadrony.

Kwarki

Kwarki to elementarne cząstki materii ze spinem , które oprócz oddziaływania słabego i elektromagnetycznego podlegają również oddziaływaniu silnemu. Są fermionami i oprócz słabej izospiny (w zależności od ich chiralności ) i ładunku elektrycznego mają również ładunek kolorowy .


Ładunek elektryczny
Pokolenie
1 2 3
+ 23 e w górę (u) urok (c) góra (t)
- 13 e dół (d) dziwne (s) dół (b)

Istnieją trzy rodzaje kwarków z ładunkiem elektrycznym e: dolny (d), dziwny (s) i dolny (b) oraz trzy rodzaje kwarków z ładunkiem elektrycznym e: góra (u), urok (c) i góra ( t). Tak więc znamy również trzy pokolenia lub rodziny kwarków : (d, u), (s, c) i (b, t). Podobnie jak w przypadku leptonów, rodziny różnią się znacznie pod względem masy. Konwersje kwarków zachodzą w wyniku oddziaływania słabego, najlepiej w obrębie rodziny (np. C ⇒ s). Te konwersje są opisane przez macierz mieszanki Quark .

Podczas tworzenia lub niszczenia kwarków lub antykwarków zachowywana jest liczba barionowa (zwana także ładunkiem barionowym ), tak samo jak w przypadku leptonów (patrz wyżej ): jeśli ustawia się dla każdego kwarka i dla każdego antykwarka , to całkowita wartość liczba barionowa pozostaje we wszystkich znanych procesach fizycznych. Procesy są stałe. Wybór wartości tłumaczy się faktem, że protonom i neutronom, składającym się z rdzenia, przypisano barion numer 1 na długo przed odkryciem, że składają się one z trzech kwarków. Również w tym przypadku teorie spoza Modelu Standardowego spekulują na temat możliwych naruszeń zachowania liczby barionowej, ale nie zostały one jeszcze zaobserwowane i dlatego są hipotetyczne.

Kwarki nigdy nie są obserwowane swobodnie, a jedynie jako związane składniki hadronów (patrz sekcja „Cząstki złożone” poniżej).

Wymienne cząstki (bozony wskaźnikowe)

Cząstka
Energia spoczynkowa

(GeV)

Wirowanie
( )

Ładunek elektryczny
( )

interakcja zapośredniczona
foton 0 1 0 siła elektromagnetyczna
Bozon Z 0 około 91 1 0 słaba siła
Bozon W + około 80 1 +1
W - bozon −1
Gluony 0 1 0 silna siła (siła koloru)
( Graviton ) 0 2 0 Powaga

Cząstki wymienne to bozony, które pośredniczą w interakcjach między wyżej wymienionymi cząstkami elementarnymi typu fermionów . Nazwę bozonu cechowania wyjaśnia fakt, że model standardowy jest sformułowany jako teoria cechowania , gdzie wymóg lokalnej niezmienności cechowania oznacza, że ​​przewiduje się interakcje z cząstkami wymiennymi, które mają spin 1, tj.bozonami .

Grawiton nie został jeszcze udowodniony w eksperymentach i dlatego jest hipotetyczny. Często jest jednak wymieniany w powiązaniu z innymi cząstkami wymiennymi, co odzwierciedla nadzieję, że w przyszłych modelach fizyki cząstek elementarnych oddziaływanie grawitacyjne można potraktować również w kategoriach kwantowej teorii pola. Właściwości grawitonu podane w tabeli po prawej stronie odpowiadają tym, czego można się spodziewać zgodnie z ogólną teorią względności .

foton

Jako kwant pola elektromagnetycznego, foton jest najdłuższym znanym bozonem miernika. Może zostać utworzona lub zniszczona przez dowolną cząstkę z ładunkiem elektrycznym i pośredniczy w całym oddziaływaniu elektromagnetycznym . Nie ma masy ani ładunku elektrycznego. Ze względu na te właściwości oddziaływanie elektromagnetyczne ma nieskończony zakres i może mieć efekt makroskopowy.

Bozony W i Z

Istnieją dwa bozony W o przeciwnych ładunkach elektrycznych i neutralny bozon Z. Mogą być generowane i niszczone przez każdą cząstkę o słabej izospinie lub słabym hiperładowaniu i pośredniczą w słabej interakcji . Są zatem odpowiedzialni za wszystkie procesy transformacyjne, w których kwark zmienia się w inny rodzaj kwarków lub lepton w inny rodzaj leptonu. Mają dużą masę, co  ogranicza ich zasięg jako cząstki wymienne do rzędu 10-18 m. Ten niezwykle krótki zasięg powoduje, że słabe oddziaływanie wydaje się słabe. W przeciwieństwie do fotonu, bozony W również same niosą słabe izospiny . W ten sposób mogą również współdziałać ze sobą poprzez oddziaływanie słabe.

Gluon

Gluony mogą być generowane i niszczone przez kolorowe cząstki i pośredniczą w silnym oddziaływaniu między nimi . Oprócz kwarków, same gluony mają również ładunek koloru, każdy w połączeniu z ładunkiem przeciwkolorowym. Możliwe mieszaniny wypełniają ośmiowymiarową przestrzeń stanów, dlatego zwykle mówi się o ośmiu różnych gluonach. Dwa z ośmiu wymiarów należą do stanów, w których gluon przenosi ładunek antykolorowy dokładnie odpowiadający ładunkowi koloru; te gluony są ich własnymi antycząstkami. Gluony nie mają masy, ani ładunku elektrycznego, ani słabej izospiny. Jako nosiciele kolorowych ładunków wchodzą także w interakcje. Ta właściwość jest przyczyną zamknięciu , co skutecznie  ogranicza zakres silnej interakcji do około 10 -15 m. Jest to mniej więcej średnica hadronów zbudowanych z kwarków (takich jak protony i neutrony), a także zakres siły jądrowej, która utrzymuje razem protony i neutrony w jądrze atomowym.

Bozon Higgsa

Bozon Higgsa to cząstka elementarna przewidywana przez model standardowy, który został odkryty w europejskim centrum badań jądrowych CERN . Może być tworzony i niszczony przez wszystkie cząstki posiadające masę i jest kwantem pola wszechobecnego pola Higgsa , które nadaje tym cząstkom przede wszystkim ich masę. Bozon Higgsa ma spin 0 i nie jest bozonem miernika.

Cząstki złożone z cząstek elementarnych

Cząsteczki złożone
Grupa cząstek Przykłady Wyjaśnienie
Hadrony składają się z kwarków (i gluonów )
Mezony Hadrony o spinie całkowitym ( bozony )
  Quarkonia J / ψ , Υ , ... ciężki kwark i jego antykwark
inne q q π , K , η , ρ , D , ... ogólnie kwark i antykwark
egzotyczny Tetraquarki , kulki klejowe , ... częściowo hipotetyczne
Bariony Hadrony spinowe półcałkowite ( fermiony )
  Nucleony rezonanse p , n , N. Bariony z kwarków u i d z izospiną 12
Δ-bariony Δ ++ (1232), ... Bariony z kwarków u i d z izospiną 32
Hiperony Λ , Σ , Ξ , Ω Bariony z co najmniej jednym kwarkiem s
inny Λ c , Σ c , Ξ b , ... Bariony z cięższymi kwarkami
egzotyczny Pentakwarki , ... składający się z więcej niż trzech kwarków
Jądra atomowe Bariony związane poprzez oddziaływania silnego
  normalna d , α , 12 C , 238 U , ... składają się z protonów i neutronów
egzotyczny Hiper jądra , ... inne systemy
Atomy związany elektromagnetycznie
  normalna H , He , Li , ... składają się z jądra atomowego i elektronów
egzotyczny Pozyton , mion , ... inne systemy

Cząstki złożone z kwarków (i gluonów) nazywane są hadronami . Aż do odkrycia kwarków i opracowania Modelu Standardowego od około 1970 roku były one uważane za cząstki elementarne i nadal są często tak nazywane. Hadrony dzielą się na dwie kategorie: mezony i bariony .

Jądra atomowe również składają się z kwarków i są związane oddziaływaniem silnym, ale nie są nazywane hadronami.

Mezony

Mezony mają spin całkowity, więc są bozonami . Są stanami wiążącymi kwarka i antykwarka. Wszystkie mezony są niestabilne. Najlżejszym mezonem jest pion , który w zależności od ładunku elektrycznego przekształca się w leptony lub fotony („rozpady”). W teorii Yukawy piony są uważane za cząstki wymienne sił jądrowych, z którymi w jądrze atomowym związane są protony i neutrony.

Bariony

Bariony mają spin pół-całkowity, więc są fermionami . Są to stany wiązane trzech kwarków (analogiczne do antyarionów z trzech antykwarków). Jedynymi stabilnymi barionami są proton i antyproton. Wszystkie inne są niestabilne same w sobie i ostatecznie przekształcają się w proton lub antyproton, prawdopodobnie poprzez etapy pośrednie. Najważniejszymi barionami są proton i neutron . Ponieważ są składnikami jądra atomowego, zbiorczo nazywane są nukleonami .

Jądra atomowe

Jądra atomowe są związanymi systemami barionów w wyniku silnego oddziaływania. Zwykle składają się z protonów i neutronów - tylko takie jądra atomowe mogą być stabilne. Najmniejszym stabilnym układem tego typu jest jądro atomowe ciężkiego wodoru, które nazywamy deuteronem i składa się z jednego protonu i jednego neutronu, czyli sześciu kwarków. Zwykle proton jest również jednym z jąder atomowych, ponieważ reprezentuje jądro atomu wodoru . Jeśli jeden lub więcej nukleonów zostanie zastąpionych innymi barionami, mówi się o hiperatomach . Ze względu na krótki zasięg silnego oddziaływania średnia odległość między barionami w jądrze atomowym jest niewiele większa niż ich średnica.

Atomy

Atomy to układy związane oddziaływaniem elektromagnetycznym, które zwykle składa się z (ciężkiego) jądra atomowego i (lekkich) elektronów. Jeśli nukleon w jądrze atomowym i / lub elektron w powłoce zostanie zastąpiony cząsteczkami innego rodzaju, powstaje niestabilny egzotyczny atom . W XIX wieku, zanim odkryto wewnętrzną strukturę atomów, o samych atomach mówiono niekiedy jako o elementarnych cząsteczkach pierwiastków chemicznych.

Stabilność i żywotność

Spośród cząstek elementarnych Modelu Standardowego tylko elektron, pozyton, foton i neutrina są stabilne w stanie swobodnym, odizolowanym.

W przypadku kwarków i gluonów trudno mówić o stabilności, ponieważ nie można ich wyizolować. Występują tylko w kilku razem w hadronach. W nim są nieustannie przekształcane z jednego gatunku w drugi przez silną interakcję, która je trzyma razem. Stabilność protonu lub wielu innych jąder atomowych jest ważna tylko jako całość, ale nie dla pojedynczego zawartego w nim kwarka lub gluonu. Neutrino jednego z trzech typów neutrin wykazuje okresowo zmieniającą się mieszaninę trzech typów z oscylacją neutrin , ale pewne mieszanki różnych typów neutrin, trzech stanów własnych masy , są stabilne. (To samo dotyczy odpowiednich antycząstek).

Pozostałe cząstki elementarne i ich antycząstki są niestabilne w zwykłym znaczeniu tego słowa: spontanicznie przekształcają się w inne cząstki o mniejszej masie. Obowiązuje prawo rozpadu radioaktywnego i na podstawie rozpadu radioaktywnego mówi się o rozpadzie cząstek, zwłaszcza że jedna cząstka zawsze daje początek dwóm lub trzem innym. Jednak produkty rozpadu nie były już w żaden sposób obecne w pierwotnej cząstce. Raczej ulega zniszczeniu w procesie dezintegracji, podczas gdy produkty rozpadu ulegają regeneracji. Średnia żywotność niestabilnych cząstek elementarnych wynosi od 2 · 10–6  s (mion) do 4 · 10–25  s (bozon Z).

Stabilność cząstek elementarnych, takich jak elektron, lub układów związanych, takich jak proton, jądro atomowe lub atom, jest ogólnie wyjaśniona w modelu standardowym przez fakt, że nie ma ścieżki rozpadu, której nie zabrania jedna z ogólnych zasad zachowania. prawa. Z prawa zachowania energii wynika, że ​​suma mas produktów rozpadu nie może być większa niż masa rozpadającej się cząstki lub układu. Z prawa zachowania ładunku elektrycznego wynika, że ​​elektron i pozyton są stabilne, ponieważ nie ma lżejszych cząstek o takim samym ładunku. Dla stabilności protonu (i innych jąder, ale także antyprotonu itp.) Należy również zastosować jedną z dwóch praw zachowania liczby barionowej lub liczby leptonowej. W przeciwnym razie pozyton (elektron w przypadku ujemnego ładunku elektrycznego) byłby możliwym produktem rozpadu dla wszystkich dodatnio naładowanych cząstek elementarnych. Jednak oddzielne prawa zachowania dla kwarków i leptonów są anulowane w niektórych modelach teoretycznych poza modelem standardowym. Dlatego stabilność protonu jest sprawdzana eksperymentalnie. Nie zaobserwowano jeszcze rozpadów protonów ; średni czas życia protonu, jeśli w ogóle jest skończony, wynosi co najmniej 10 35 lat zgodnie ze stanem obecnym (2017) .

Właściwości wszystkich cząstek elementarnych

W modelu standardowym obowiązuje:

  • Wszystkie cząstki elementarne można stworzyć i zniszczyć. Oprócz swobodnego poruszania się w przestrzeni, kreacja i anihilacja to jedyne procesy, w których biorą udział. Są więc podstawą każdej interakcji. W przeciwnym razie jednak cząsteczki są całkowicie niezmienne w swoich wewnętrznych właściwościach. W szczególności nie są podzielne i nie mają stanów wzbudzonych.
  • Wszystkie cząstki elementarne tego samego rodzaju są identyczne ; H. nie do odróżnienia. W najlepszym przypadku można rozróżnić stany, jakie obecnie przyjmują takie cząstki. Z drugiej strony zasadniczo niemożliwe jest ustalenie, która z kilku identycznych cząstek miała lub będzie w pewnym stanie we wcześniejszym lub późniejszym momencie (patrz Identyczne cząstki ).
  • Wszystkie naładowane cząstki elementarne mają antycząstki, które są dokładnie takie same we wszystkich właściwościach, z wyjątkiem tego, że mają przeciwne ładunki. Cztery nienaładowane cząstki elementarne foton, bozon Z 0 , bozon Higgsa i dwa gluony są własnymi antycząstkami. Jedna cząstka i jedna antycząstka tego samego rodzaju mogą się wzajemnie anihilować. Nic poza całą twoją energią, pędem i momentem pędu nie zostaje zachowane. Są one przesyłane do nowo utworzonych cząstek (patrz pary unicestwienia , tworzenia par ).
  • Wszystkie cząstki elementarne wyglądają jak punktowe. Przyjmują tylko stany, w których mają przestrzennie rozszerzone prawdopodobieństwo ich obecności (patrz funkcja falowa ). Jednak wraz ze wzrostem zużycia energii ten rodzaj ekspansji przestrzennej można zepchnąć poniżej dowolnej wcześniej dającej się ustalić granicy bez zmiany wewnętrznych właściwości cząstki. W przypadku elektronu odpowiednie eksperymenty są najbardziej zaawansowane i osiągnęły zasięg 10-19  m.
  • Wszystkie cząstki elementarne pozostają członkami tego samego typu cząstek aż do następnej interakcji . Neutrina są pewnym wyjątkiem: neutrino jest tworzone w postaci jednego z trzech obserwowalnych typów wspomnianych powyżej, ale częściowo przekształciło się w inny z tych typów podczas następnej interakcji ( oscylacja neutrina ). Tę okresowo zmieniającą się mieszaninę trzech obserwowanych gatunków tłumaczy fakt, że teoretycznie istnieją trzy niezmienne typy neutrin o różnych, precyzyjnie określonych masach, podczas gdy trzy obserwowane typy neutrin to trzy pewne wzajemnie ortogonalne ich kombinacje liniowe. Ściśle mówiąc, nie każdy z trzech obserwowanych gatunków ma wyraźnie określoną masę, ale rozkład masy.
  • Niezmienne właściwości wewnętrzne każdej cząstki elementarnej są
    • jego energia spoczynkowa ( masa ),
    • jego spin (wewnętrzny moment pędu, który zawsze ma tę samą wielkość, prawdopodobnie także w układzie spoczynkowym cząstki. Wartość zero dotyczy tylko bozonu Higgsa).
    • jej parytet wewnętrzny (określony jako dodatni dla cząstek i ujemny dla antycząstek)
    • jego liczba leptonów (wartość +1 dla każdego leptonu, -1 dla każdego antyleptona, zero dla wszystkich innych cząstek)
    • jego liczba barionowa (wartość (ze względów historycznych) dla każdego kwarku, dla każdego antykwarka, zero dla wszystkich innych cząstek)
    • jego ładunek elektryczny (jeśli ma wartość zero, cząstka nie bierze udziału w oddziaływaniu elektromagnetycznym ).
    • jego słaba izospina (jeśli ma wartość zero, a cząstka również nie ma ładunku elektrycznego, cząstka nie bierze udziału w słabym oddziaływaniu ).
    • jego ładunek koloru (jeśli ma wartość zero, cząstka nie bierze udziału w silnym oddziaływaniu ).

Generowanie i niszczenie jako podstawa wszystkich procesów

Model standardowy przewiduje jedynie tworzenie i niszczenie cząstek elementarnych jako możliwe procesy. Pierwsze trzy przykłady wyjaśniające to dalekosiężne stwierdzenie:

  • Odchylenie elektronu: Prosta zmiana kierunku lotu elektronu jest przekształcana w proces anihilacji i tworzenia: elektron w stanie początkowym zostaje anihilowany, a elektron z pędem w nowym kierunku zostaje wygenerowany. Ponieważ elektrony są nierozróżnialnymi cząstkami, pytanie, czy „to wciąż ten sam elektron”, jest bez znaczenia. Niemniej jednak proces ten jest zwykle językowo sparafrazowany w taki sposób, że „” elektron zmienił jedynie kierunek lotu. Model standardowy zezwala na ten proces, który łączy anihilację i generowanie, jeśli zaangażowana jest również cząstka wymienna. Jest on albo pochłaniany (niszczony), albo emitowany (generowany), aw każdym razie ma dokładnie takie wartości energii i pędu, że obie wielkości są w całości zachowywane. Cząstki wymienne, o których mowa w tym przykładzie, to foton, bozon Z i bozon Higgsa. Wszystkie inne są wykluczone: gluony nie wchodzą w grę, ponieważ elektron jest leptonem i dlatego nie ma ładunku kolorowego; Bozony W są wykluczone ze względu na ścisłe zachowanie ładunku elektrycznego, ponieważ są naładowane; gdy powstają lub znikną, ich ładunek musiałby pojawić się w jednej z pozostałych dwóch zaangażowanych cząstek. Elektron ma ten sam ładunek przed i po odchyleniu.
  • Rozpad bozonu Z na parę elektron-pozyton: Bozon Z zostaje zniszczony, powstaje elektron i antyelektron (pozyton). Całkowity ładunek elektryczny zostaje zachowany, ponieważ para elektron-pozyton jest razem obojętna, podobnie jak oryginalny bozon Z.
  • Konwersja kwarku górnego w kwark górny: kwark dolny zostaje zniszczony, powstaje kwark górny, cząstka wymienna musi zostać wygenerowana lub zniszczona. W tym przypadku musi nie tylko kompensować (możliwą) zmianę pędu i energii kwarków, ale także konwersję ładunku elektrycznego z na . Oznacza to, że kwestionowany jest tylko bozon W z prawidłowym znakiem ładunku: jeśli jest generowany, ma ładunek , w przeciwnym razie . Tutaj ponownie, to połączenie anihilacji i tworzenia kwarków jest językowo nazywane przekształceniem kwarka w kwark innego typu. (Proces ten jest pierwszym etapem beta promieniowania emitowana W. - . Boson nie jest stabilny, ale jest zniszczona w drugim etapie procesu, przy czym odpowiednie pary fermionami jest wytwarzana w beta radioaktywność, jest elektronowe, promieniowanie beta i antyneutrino elektronowe.)

Wszystko to jest przykładem „trójstronnego wierzchołka”, ponieważ w tych elementarnych etapach procesu zawsze biorą udział trzy cząstki, po dwa fermiony i jeden bozon. W tym kontekście słowo wierzchołek oznacza pewną kombinację procesów tworzenia i niszczenia. Pochodzi z graficznego języka symbolicznego diagramów Feynmana , w których każda cząstka jest reprezentowana przez krótką linię. Linie cząstek zaangażowanych w proces spotykają się we wspólnym punkcie, wierzchołku, w którym kończą się (w celu unicestwienia) lub zaczynają (w celu stworzenia). Linie dla fermionów (w tym antyfermionów) muszą zawsze występować parami, albo dla leptonów, albo dla kwarków, ale nie są pomieszane. Trzecia linia musi zawsze opisywać bozon. Cząsteczki i antycząstki muszą być zaangażowane w taki sposób, aby zachować całkowitą liczbę leptonów lub barionów. Istnieją również wierzchołki trójdrożne i wierzchołki czterostronne zawierające tylko bozony. W przypadku innych rozmiarów, które należy zachować dla każdego wierzchołka, patrz prawo zachowania .

Działanie jednego fermionu na innym, np. B. wzajemne odpychanie się dwóch elektronów jest procesem dwuetapowym, tj. Z dwoma trójstronnymi wierzchołkami: w jednym wierzchołku elektron generuje foton, który jest absorbowany przez drugi elektron w drugim wierzchołku. Mówi się, że elektrony wymieniają foton, od którego pochodzi określenie cząstka wymienna . Ogólnie rzecz biorąc, każda interakcja między dwoma fermionami polega na tym, że wymieniane są cząstki wymienne. Zgodnie z zasadami kwantowej teorii pola, cząstka wymienna wymyka się bezpośredniej obserwacji; pozostaje wirtualną cząstką . Niezależnie od tego przenosi pęd i energię z jednej cząstki na drugą, a tym samym powoduje z. B. zmiana kierunków lotu cząstek. Jest to zauważalny efekt, ponieważ jest spowodowany siłą w fizyce klasycznej .

Interakcje i opłaty

Model Standardowy dotyczy trzech podstawowych interakcji :

Czwarta siła podstawowa, grawitacja , działa na wszystkie cząstki elementarne, ponieważ wszystkie cząstki mają energię. Jednak w fizyce cząstek elementarnych w większości pomija się go ze względu na jego niską wytrzymałość, zwłaszcza że nadal nie istnieje kwantowa teoria grawitacji. Tak jest z. B. grawiton , związany z nim kwant pola, dotychczas czysto hipotetyczny.

Masa (energia spoczynkowa)

Opierając się na równaniu Einsteina E = mc 2 , masa cząstki odpowiada wartości energii, reszta energii . Ponieważ w fizyce cząstek energia jest zwykle podawana w elektronowoltach (eV), jednostką masy jest eV / c 2 . Z reguły stosuje się jednostki naturalne , w którym to przypadku iloraz „c 2 ” można pominąć w specyfikacji, a masę podać w eV.

Masy cząstek elementarnych wahają się od 0 eV / c 2 ( foton , gluon ) do 173 GeV / c 2 ( kwark górny ). Na przykład masa protonu wynosi 938 MeV / c 2 , a elektronu 0,511 MeV / c 2 . Przy wartościach najwyżej 1 eV / c 2 neutrina mają najniższe niezerowe masy. W Modelu Standardowym początkowo uważano je za bezmasowe, aż do zaobserwowania oscylacji neutrin w 1998 roku . Z oscylacji można wywnioskować, że te trzy typy neutrin mają różne masy. Ale są tak małe, że nie można było jeszcze określić dokładnych wartości.

Obracać

Wszystkie cząstki elementarne poza bozonem Higgsa mają wewnętrzny moment pędu różny od zera , znany również jako spin. Może się to zdarzyć tylko w całkowitych lub półcałkowitych wielokrotnościach kwantu działania i jest określane jako spinowa liczba kwantowa cząstki. Spin jest nieodłączną właściwością cząstek, nie można zmienić jego ilości, można zmienić tylko jego orientację w przestrzeni. Leptony i kwarki mają cząstki wymienne , bozon Higgsa . Ogólnie rzecz biorąc, cząstki o spinie całkowitym tworzą klasę bozonów, a cząstki o spinie połowicznym całkowitym tworzą klasę cząstek fermionów. Bozony można stworzyć i unicestwić pojedynczo, np. B. indywidualne kwanty światła; Z drugiej strony, fermiony istnieją tylko parami jako cząstki i antycząstki. Dalsze konsekwencje tego fundamentalnie ważnego rozróżnienia można znaleźć w opisie bozonu i fermionu .

Więcej liczb kwantowych

Dalsze liczby kwantowe kwarków i leptonów charakteryzują ich przynależność do jednego z sześciu gatunków oraz ilości dalej konserwowane, np. B. izospinowych , Obcość , Baryon numer , numer Lepton . Hadrony złożone to symbol uproszczony lub o. Ę. W którym liczba kwantowa szpilek jest niezbędna dla parzystości , co dla parytetu G i dla sprzężenia ładunku .

Antycząstka

Dla każdego rodzaju cząstki istnieją antycząstki. W niektórych właściwościach cząstka i odpowiadająca jej antycząstka dokładnie pasują, np. B. w masie, w ilości spinu, w ciągu całego życia. Różnią się znakiem wszystkich ładunków, do których ma zastosowanie prawo ochronne. Dotyczy to z. B. ładunek elektryczny, ładunek barionowy i leptonowy. Na przykład proton jest naładowany dodatnio, a antyproton jest ujemny.

Cząstki bez takich zachowanych ładunków, a mianowicie foton i bozon Z, są swoimi własnymi antycząstkami. Neutrina nie są uwzględnione, ponieważ są one tylko elektrycznie obojętne, ale przenoszą dodatni ładunek leptonowy jako cząstki i ujemny ładunek leptonowy jako przeciwcząstki. Dlatego neutrina nie są identyczne z antyneutrinami i zachowują się inaczej w eksperymencie. Dwa bozony W to para cząstka-antycząstka. Gluon jest ładowany jednym ładunkiem kolorowym i jednym ładunkiem przeciwkolorowym, tak że powiązany antyigluon jest już zawarty w grupie gluonów.

Ponieważ para cząstek i antycząstek razem jest obojętna w stosunku do każdego z otrzymanych ładunków, pary takie mogą powstawać „znikąd”, o ile dostępna jest energia niezbędna do wytworzenia ich mas ( tworzenie się par ). Na przykład foton (numer leptonu 0, ładunek elektryczny 0) może stać się leptonem (lepton numer 1, ładunek elektryczny -1) i antyloptonem (liczba leptonowa -1, ładunek elektryczny +1). Od minimalnej energii 1,02 MeV jest to para elektron-pozyton, od 212 MeV możliwa jest również para mion-antymion. Zachodzi również odwrotna reakcja: podczas gdy elektron i pozyton są stabilne z powodu zachowania liczby leptonowej lub retencji ładunku elektrycznego, anihilują się nawzajem, gdy spotykają się w ciągu nanosekund ( anihilacja ) i pozostawiają po sobie - w postaci odpowiednie inne cząstki elementarne - nic poza całą zawartością ich Energii, tj. co najmniej 1,02 MeV, a także - jeśli nie równe zero - ich pęd całkowity i pęd całkowity.

Hipotetyczne cząstki elementarne

Dalsze cząstki postulowano w modelach teoretycznych, z których niektóre są wiarygodne, ale niektóre są bardzo spekulatywne. Obejmują one:

Uwagi

  1. Jeśli neutrina są fermionami Majorany , to byłyby identyczne z ich antycząstkami.

cytaty

„Jednak Model Standardowy to znacznie więcej niż teoretyczny model cząstek elementarnych i ich interakcji. Rości sobie rangę samodzielnej teorii wszystkich zjawisk obserwowanych w świecie cząstek elementarnych. Wtajemniczonym teorię można przedstawić w kilku wierszach, tworząc w ten sposób rodzaj globalnej formuły, której fizycy teoretyczni, tacy jak Albert Einstein czy Werner Heisenberg, poszukiwali w przeszłości bez powodzenia ”.

literatura

linki internetowe

Wikisłownik: Cząsteczki elementarne  - wyjaśnienia znaczeń, pochodzenie słów, synonimy, tłumaczenia

Indywidualne dowody

  1. Erhard Scheibe : Filozofia fizyków . Wydanie 2. CH Beck, Monachium 2012, ISBN 978-3-406-54788-1 .
  2. Cząstka Higgsa jest odkryciem roku. W: sueddeutsche.de. 21 grudnia 2012, dostęp 9 marca 2018 .
  3. Harald Fritzsch : Cząstki elementarne - cegiełki materii. Beck, Monachium 2004, ISBN 3-406-50846-4 , s.13 .