Ve fyzice částic je elementární částice nebo základní částice částice , jejíž složení neznáme: nevíme, zda je složena z jiných menších částic. Elementární částice zahrnují základní fermiony ( kvarky , leptony a jejich antičástice , antikvary a antileptony), které tvoří hmotu a antihmotu , stejně jako bosony ( měřicí bosony a Higgsovy bosony ), které jsou vektory sil. základní interakce mezi fermiony. Částice, která obsahuje několik elementárních částic, je složená částice .
Ohledu na to, jak je známe, že se skládá z atomů , které se původně myslelo byl elementárních částic (slovo „atom“ znamená nedělitelné v Řekovi). Samotná existence atomu byla kontroverzní až do roku 1910: tehdejší fyzici viděli molekuly jako matematické iluze a hmotu složenou pouze z energie. Následně byly identifikovány subatomární složky. Na počátku 30. let byly pozorovány elektron a proton , stejně jako foton , částice elektromagnetického záření . Současný pokrok v kvantové mechanice zároveň radikálně změnil naši koncepci částice, protože jediná částice mohla zabírat část prostoru jako vlna , což je jev, který pro nás stále není vysvětlitelný. (zejména atomy a molekuly), které mají specifickou lokalitu.
Díky kvantové teorii bylo zjištěno, že protony a neutrony obsahují kvarky (nazývané nahoru a dolů ), které jsou nyní považovány za elementární částice. A uvnitř molekuly , tři stupně volnosti elektronu ( náboje , spin a orbitální ) lze rozlišit pomocí vlnové funkce ve třech kvazičástic (Cholón spinon a orbiton). Volný elektron (který však není na oběžné dráze kolem atomového jádra, a tedy bez orbitálního pohybu ) se však zdá nedělitelný a zůstává klasifikován jako elementární částice.
Elementární fermiony mají poločíselný spin a řídí se Fermi-Diracovou statistikou a Pauliho vylučovacím principem : představují baryonickou hmotu . Bosony mají celočíselný spin a řídí se Bose-Einsteinovou statistikou : představují základní interakce , kromě gravitace, kterou se nám zatím nepodařilo integrovat do standardního modelu.
Dvanáct fermionů popsaných standardním modelem je rozděleno do tří generací , to znamená do tří kvadrupletů částic, jejichž odpovídající termíny zvyšují hmotnost z jedné generace na druhou. Pouze fermiony první generace (jejichž hmotnost je nejnižší) jsou běžně pozorovány a tvoří hmotu, kterou známe; dalších osm fermionů je pozorováno pouze za zvláště energetických podmínek (například v urychlovači částic ).
| Částice | Hmotnost | Elektrická nabíječka |
|---|---|---|
| Neutron | 1 amu | neutrální |
| Proton | 1 amu | E |
| Elektron | 1/2000 amu | - e |
Tyto Staří Řekové , včetně Democritus , představil slovo „atom“, což znamená „nedělitelné“, ke jménu základních složek záležitosti . Bylo zjištěno, v XX th století , že atomy byly samy o sobě skládá z menších částic: elektrony , protony a neutrony (to se stalo možné „rozbít atom“).
Ve 30. letech 20. století vědci věřili, že elektrony, protony a neutrony jsou skutečně nedělitelné. Poté byly označeny jako „elementární částice“.
Ke studiu interakce neutronů a protonů v atomovém jádru se srážejí v urychlovači částic . Poté zjistíme, že tyto subatomární částice jsou samy o sobě tvořeny menšími objekty, kvarky . Protony a neutrony jsou složeny ze tří kvarků. Tyto složené částice jsou téměř vždy zastoupeny v dokonale sférické formě, ale ta představuje pouze oblast prostoru, za kterou je viditelná složená povaha těchto částic. Ve standardním modelu proton a neutron nemají samy o sobě tvar .
Doposud nebyla objevena žádná substruktura pro kvarky nebo elektrony. Jedná se tedy o nové elementární částice.
Pozorování srážek částic, složených a často nestabilních, umožnilo fyzikům odvodit existenci nových elementárních částic. Popis základních složek přírody a jejich interakcí je popsán ve fyzikální teorii zvané „ standardní model “ částic.
První kroky ve vývoji standardního modelu elementárních částic byla přijata v roce 1960 americký fyzik Sheldon Glashow , nositel Nobelovy ceny za fyziku z roku 1979, se sjednocení elektromagnetické interakce a slabé interakce do elektroslabé interakci. Nad sjednocující energie řádově 100 GeV . Poté, v roce 1967, Američan Steven Weinberg a pákistánský Abdus Salam integrovali Higgsův mechanismus (teoretizovaný v roce 1964 Peterem Higgsem ) do modelu vyvinutého Glashow, aby mu dali jeho současnou podobu, která odpovídá hmotnosti částic; za to obdrželi Nobelovu cenu za fyziku 1979 spolu s Glashow. Nakonec se standardní model byl dokončen sjednocení kvantové chromodynamiky s elektroslabých interakcí, začlenit silnou interakci dělat v úvahu zejména asymptotické volnosti a barevné porodu z kvarků v hadrons jejichž Výsledný barevný náboj je vždy „bílý“ (od této doby chromodynamický kvalifikátor aplikovaný na tuto kvantovou teorii pole ).
Tyto fermiony jsou popsány standardní model jako mající spin poloviční celé číslo a při respektování principu Pauli vyloučení v souladu s průvodních statistiky věta . Standardní model popisuje dvanáct fermionů.
Elementární fermiony lze rozdělit do tří rodin. Každá rodina obsahuje dva kvarky, nabitý lepton a jeho neutrino. Z jedné rodiny do druhé jsou vlastnosti částic podobné, s výjimkou jejich hmotnosti. Tyto masy jsou od první do třetí rodiny stále vyšší.
První skupina obsahuje nejstabilnější a nejběžnější částice: kvarky nahoru a dolů , elektron a elektronové neutrino (ν e ). Ve druhé rodině najdeme kouzlo a podivné kvarky stejně jako mion a muon neutrino (ν μ ). Horní a dolní kvarky , tauon a tau neutrino (ν τ ) tvoří třetí rodinu.
Absolutně vše, co existuje, je výsledkem uspořádání těchto 12 částic nebo jejich antičástic: fermiony tvoří hmotu.
LeptonyMezi dvanácti fermiony standardního modelu není šest vystaveno silné interakci a znají pouze slabou interakci a elektromagnetickou interakci : to jsou leptony. Elektromagnetická interakce ovlivňuje pouze částice nesoucí elektrický náboj , zatímco slabá interakce působí na všechny leptony, včetně elektricky neutrálních.
Existuje šest druhů nebo příchutí leptonů, z nichž tři mají záporný elektrický náboj a tři jsou neutrální. Ale na rozdíl od kvarků lze lepton najít sám. V roce 2007 nevíme, zda základní odkazy spojují 6 příchutí leptonů a kvarků.
Nejznámějším leptonem je elektron (e). Další dva nabité leptony jsou mion (μ) a tau (τ). Jsou mnohem hmotnější než elektron. Tři leptony bez elektrického náboje jsou neutrina (ν, řecké písmeno vyslovované jako „nu“). S každým z nabitých leptonů je spojena neutrinová příchuť: elektronové neutrino (ν e ), mionové neutrino (ν μ ) a tauonové neutrino (ν τ ).
Existenci elektronového neutrina předpověděl Wolfgang Pauli v roce 1932 , ale bylo objeveno až v roce 1956 . Mezitím byl mion pozorován (v roce 1936 ) při reakcích mezi atmosférou a kosmickými paprsky . Nic nenasvědčovalo jeho existenci, a to natolik, že Isidor Isaac Rabi , částicový fyzik, zprávu uvítal otázkou: „ Ale kdo si tu věc objednal?“ ". Překvapení ustoupilo hlubšímu výzkumu, který by vedl k objevení dalších leptonů.
Neutrina byla velmi obtížně viditelná, protože stěží reagovala s hmotou. Musíme vybudovat podzemní observatoře, daleko od jakéhokoli rušení, abychom byli schopni detekovat několik neutrin denně. Slunce však emituje obrovské množství neutrin. Naše tělo tedy každou vteřinu prochází miliardy slunečních neutrin, ale vůbec s ním neinteragují.
|
Elektrický náboj |
0 | −1 e ( e = 1,602176487 × 10 −19 C ) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Generace | Částice |
Symbol / antičástice |
Hmotnost ( keV / c 2 ) |
Částice |
Symbol / antičástice |
Hmotnost ( keV / c 2 ) |
| 1 re | Elektronické neutrino | ν e / ν e | <0,002 2 | Elektron | e - / e + | 511 |
| 2. místo | Muonské neutrino | ν µ / ν µ | <170 | Muon | µ - / µ + | 105 700 |
| 3. kolo | Tauic Neutrino | ν τ / ν τ | <15 500 | Tau | τ - / τ + | 1777000 |
Každý lepton má svůj antilepton , stejné hmotnosti, stejné rotace, ale opačného elektrického náboje , opačného slabého isospinu nebo reverzní helicity (vlevo pro neutrina , vpravo pro antineutrina ):
KvarkyZ dvanácti fermionů standardního modelu pouze šest zná silnou interakci stejným způsobem jako slabá interakce a elektromagnetická interakce : to jsou kvarky .
V roce 1964 Murray Gell-Mann a George Zweig nezávisle zjistili, že stovky částic lze vysvětlit kombinací pouze tří prvků. Gell-Mann zvolí pro označení těchto prvků název „kvarky“. Toto slovo vytvořil James Joyce ve svém románu Finnegans Wake (tento román je plný imaginárních slov a úmyslně porušuje lingvistická pravidla). Teprve na začátku 70. let byla prokázána fyzikální realita těchto kvarků a dosáhly úrovně částic.
Nyní víme, že existuje šest druhů nebo příchutí kvarků. Byli pokřtěni v pořadí podle rostoucí masy: nahoru, dolů, divně, kouzlo, zdola a nahoře . Navíc pro každý z těchto kvarků existuje odpovídající antikvark.
Kvarky mají tu vlastnost, že mají zlomkový elektrický náboj. Tento poplatek je 2/3 pro nahoru, šarm a top kvarků a -1/3 pro dolů, podivné a spodní kvarky .
Kvarky jsou společenské částice: nikdy nenajdete ten, který je sám. Stojí ve shlucích dvou nebo tří a tvoří částice zvané hadrony . Například proton je hadron složený ze dvou kvarků nahoru a jednoho kvarku dolů . Pokud jde o neutron, je složen ze dvou down kvarků a jednoho up kvarku . Tato vlastnost znamená, že částice pozorované ve volném stavu mají plný nebo nulový elektrický náboj.
Částice vytvořené z kvarků a antikvarků se nazývají hadrony . Jsou rozděleny do dvou tříd:
Silná interakce je odpovědná za uzavření kvarků , díky čemuž není možné pozorovat elementární nebo složenou částici, jejíž výsledný barevný náboj není „bílý“. Ve skutečnosti jsou tři „barvy“ (nazývané konvenčně červená , zelená , modrá v odkazu na základních barev ) a tři „anticouleurs“ (nazývané konvenčně antirouge , antivert a antibleu ), které poslouchají následující pravidla, připomínající aditivní syntézu z základní barvy:
Dále jen "anticouleurs" antirouge , antivert ; antiblue jsou obvykle zobrazeny v azurové , purpurové a žluté .
Jakýkoli tvaroh, který je nositelem jedné z těchto tří barevných náplní (neexistuje nic jako „bílý“ tvaroh), musí nutně interagovat buď s antikvarkem nesoucím jeho anticolor (což dává mezon , což je tedy složený boson ) , nebo se dvěma dalšími kvarky, nesoucími dva náboje barvy, s „bílým“ výsledníkem (který dává baryon , což je složený fermion).
|
Elektrický náboj |
+2/3 e | -1/3 th | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Generace | Částice |
Symbol / antičástice |
Hmotnost ( keV / c 2 ) |
Částice |
Symbol / antičástice |
Hmotnost ( keV / c 2 ) |
| 1 re | Quark up | u / u | 1 500 - 3 300 | Quark dolů | d / d | 3 500 - 6 000 |
| 2. místo | Quarkové kouzlo | c / c | 1160 000 - 1340 000 | Quark divný | s / s | 70 000 - 130 000 |
| 3. kolo | Nejlepší tvaroh | t / t | 173 100 000 ± 1 300 000 | Tvarohové dno | b / b | 4 200 000+170000 - 70000 |
Tyto bosony jsou popsány pomocí standardního modelu , jak má točit kolem a je řízen statistického Bose-Einstein : několik zavřít bosony mohou zabírat stejný kvantový stav , na rozdíl od fermiony .
Měřicí bosony"Jak tyto částice drží pohromadě?" „Výsledkem reakce je interakce čtyř fyzických sil : gravitace , silné jaderné síly , slabé jaderné síly a elektromagnetické síly . Tyto síly působí na elementární fermiony výměnou bosonů měřidla , jiné třídy elementárních částic. Měřicí bosony se také nazývají „částice záření“.
Ve standardním modelu je 12 bosonů o rozměru: foton , 8 gluonů a 3 slabé bosony. Kromě toho se předpokládá existence gravitonu , který dosud nebyl pozorován. Každý boson měřidla je spojen se silou:
Úlohou gravitonu (nezjištěno) by bylo přenášet gravitační sílu. Graviton však není součástí standardního modelu. Jeho existence je jednoduše podezřelá, žádné zkušenosti dosud neprokázaly její přítomnost.
Dvanáct bosonů jsou vektory tří interakcí standardního modelu:
Níže uvedená tabulka shrnuje jejich vlastnosti:
| Bosone | Symbol | Roztočit |
Baryonický náboj |
Barevný náboj | Hmotnost ( keV / c 2 ) | Interakce |
Symetrie měřidla |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Foton | y | 1 | 0 | „0“ | 0 | Elektromagnetické | U (1) |
| Boson Z | Z | 1 | 0 | „0“ | 91 187 600 ± 2100 | Nízký | SU (2) |
| Boson W. | Ž - | 1 | -1 | „0“ | 80 398 000 ± 25 000 | ||
| W + | 1 | ||||||
| Gluon | G | 1 | 0 | (r g + g r ) / √2 | 0 | Silný | SU (3) |
| (r b + b r ) / √2 | |||||||
| (g b + b g ) / √2 | |||||||
| i (g r - r g ) / √2 | |||||||
| i (b r - r b ) / √2 | |||||||
| i (g b - b g ) / √2 | |||||||
| (r r - b b ) / √2 | |||||||
| (r r + b b - 2 g g ) / √6 |
Každý z těchto bosonů je jeho antičástice, s výjimkou bosonů W - a W +, které jsou navzájem antičásticemi.
Higgs BosonStandardní model implikuje existenci Higgsova bosonu , což umožňuje ostatním částicím získat jejich hmotnost .
Původně ve Standardním modelu částicové fyziky měly mít všechny elementární částice nulovou hmotnost, což není v souladu s pozorováním: vědci byli schopni experimentálně stanovit hmotnosti několika částic s dobrými podrobnostmi. Pouze foton a gluony by měly nulovou hmotnost.
Pro opravu modelu navrhl Peter Higgs koncem šedesátých let přidání další částice: bosonu, který uděluje hmoty všem ostatním částicím. Základní myšlenkou bylo, že částice získávají hmotu interakcí s Higgsovým polem neseným tímto Higgsovým bosonem. Tento mechanismus je nyní považován za základní součást standardního modelu.
Higgsův boson nikdy předtím nebyl detekován. Jeho skladby od začátku XXI -tého století byla jednou z hlavních výzev částicové fyziky . Evropský velký hadronový urychlovač (LHC), který je v provozu od roku 200610. září 2008, byl z velké části navržen tak, aby poskytl odpověď na existenci Higgsova bosonu.
The 4. července 2012„CERN objevil díky LHC boson, který poprvé vykazuje vlastnosti očekávané od Higgsů v doméně řádově 125 GeV (což odpovídá asi 133násobku hmotnosti protonu) s jistotou 99,9999%. Konečné potvrzení tohoto objevu se očekává za několik let, aby splnila všechna obecně přijímaná kritéria ve fyzice částic. Higgsův boson je v tomto modelu zodpovědný za hmotnost částic, ale není vektorem žádné interakce: nejedná se tedy o měřicí boson.
GravitonGraviton byl představen teoriemi kvantové gravitace ve snaze integrovat gravitaci do standardního modelu, a nikdy nebyl pozorován; graviton tedy není součástí standardního modelu, ale byl by to boson měřidla, gravitační vektor.
Každá částice odpovídá antičástice - to je C symetrie . Částice je podobná své antičástice se změnami znaménka. Elektrický náboj je opačný, což je to, co definuje antičástice. Hmotnost je však identická.
Částice s nulovým nábojem může být také její vlastní antičástice; to je případ fotonu .
Kombinací antiprotonů, antineutronů a anti-elektronů je možné vytvářet anti-atomy. Kromě toho se fyzici již začali věnovat konstrukci atomů proti vodíku, v nedávné době ve velkých množstvích (50 000 atomů) v laboratořích CERN .
Když se částice hmoty a její antičástice setkají, úplně zničí a promění se v energii . Srážky mezi částicemi a antičásticemi proto produkují spoustu energie a běžně se používají při experimentech v urychlovačích.
Všechny antičástice částic tvořících běžnou hmotu se nazývají antihmota.
Antihmota má v našem prostředí velmi krátkou životnost: pokud není izolována magnetickými poli, rychle narazí na běžnou hmotu a poté je zničena.
První částice antihmoty byla objevena v roce 1933. Jednalo se o pozitron (anti-elektron) produkovaný setkáním kosmického paprsku s atomovým jádrem v atmosféře.
Standardní model je teorie potvrzeny mnoha experimentech bylo zjištěno, že všechny předpokládaného částice.
Tato teorie však nevysvětluje vše a několik otázek zůstává nezodpovězeno. Například: Proč existuje přesně 12 fermionů a 4 síly? Jak lze do modelu zahrnout gravitaci? Jsou kvarky a leptony opravdu zásadní nebo mají spodní konstrukci (více než 10 −18 metrů)? Jaké jsou částice, které tvoří temnou hmotu ve vesmíru?
Při zodpovězení těchto otázek počítají fyzici s konstrukcí nových urychlovačů částic, které dokážou zkoumat stále větší energie (tzv. Terascalová fyzika ). Několik teoretiků také sní o nové a konečné teorii, která může sjednotit všechny fyzikální jevy. Mnoho lidí vidí řešení v teorii strun, která uvádí, že všechny elementární částice jsou způsoby vibrací základní struny. Tento řetězec by mohl existovat v 10 ( 1 st teorie), 11 ( teorie M ), a to až do 26 rozměrů (ve 2 z 5 předem teorie M teorie).
Úvod:
Další technické údaje:
Rádio