Elementární částice

Elementární částice standardního modelu
! Kvarky ! Vyměňte částice
! Leptony ! Higgsův boson

Elementární částice jsou nedělitelné subatomární částice a nejmenší známé stavební kameny hmoty . Z hlediska teoretické fyziky se jedná o nejnižší úrovně excitace určitých polí . Podle dnešních znalostí, který byl zajištěný experimentů a shrnutého ve standardním modelu z fyziky elementárních částic , existuje

To má za následek nejprve 37 elementárních částic. Existují také antičástice : osmnáct antikvarků a šest anti-leptonů. Antičástice osmi gluonů jsou již zahrnuty. Foton částic , Z 0 a Higgsův boson jsou každý jejich vlastní antičástice a W + / W - jsou jejich vzájemné antičástice. V tomto počtu tedy existuje celkem 61 typů elementárních částic.

Hmota a silové a radiační pole silných, slabých a elektromagnetické interakce se skládají z těchto částic v různých složeních a stavech. V případě gravitačního pole a gravitačních vln byly podkladové částice - gravitony  (G) - zatím hypotetické ; v případě temné hmoty jsou stále zcela neznámé.

Pojmenované částice jsou malé v tom smyslu

  • že člověk dosud nebyl schopen získat žádné stopy pro jiný průměr než nula z experimentů. Teoreticky se proto předpokládá, že jsou bodové.
  • že podle současného stavu poznání nejsou složeny z ještě menších podjednotek.
  • že i malý předmět každodenního života již obsahuje bilion (10 21 ) těchto částic. Například hlava kolíku již sestává z 10 22 elektronů a 10 23 kvarků.

Objasnění pojmu

Další elementární částice jsou předpovídány teoriemi, které jdou nad rámec standardního modelu. Ty jsou však označovány jako hypotetické, protože dosud nebyly experimenty prokázány.

Do objevení kvarků byly všechny typy hadronů také považovány za elementární částice, např . B. základní stavební bloky proton , neutron , pion a mnoho dalších. Kvůli velkému počtu různých druhů hovořil jeden o „částicové zoo“. I dnes jsou hadrony často označovány jako elementární částice, i když podle standardního modelu jsou všechny složeny z kvarků. B. také mají měřitelný průměr řádově 10-15  m. Aby se zabránilo záměně, elementární částice uvedené výše podle standardního modelu jsou někdy označovány jako základní elementární částice nebo nazývané základní částice .

Historie a přehled

hmota

Až do studny do 20. století, filozofové a vědci podobný sporné, zda záležitost byla kontinuum , která by mohla být rozdělena nekonečně, nebo zda to bylo tvořeno elementárních částic, které nemohly být dále rozděleny na menší kousky. Takovým částicím se od pradávna říkalo „atom“ (z řeckého ἄτομος átomos , „nedělitelný“), název elementární částice (neboli anglická elementární částice ) se před 30. léty 20. století neobjevil. Nejdříve známé filozofické úvahy o atomech pocházejí ze starověkého Řecka ( Democritus , Platón ). Na základě vědeckých poznatků byl tento termín poprvé naplněn dnešním obsahem kolem roku 1800, kdy po práci Johna Daltona začal získávat v chemii uznání, že každý chemický prvek se skládá z částic, které jsou navzájem identické. Nazývali se atomy; toto jméno obstojilo. Rozmanité projevy známých látek a jejich možnosti transformace lze vysvětlit skutečností, že atomy se kombinují podle jednoduchých pravidel různými způsoby a tvoří molekuly . Samotné atomy byly považovány za neměnné, zvláště nezničitelné. Od roku 1860 tento obrázek vedl k mechanickému vysvětlení zákonů o plynu v teorii kinetického plynu prostřednictvím neuspořádaného pohybu tepla mnoha neviditelných malých částic. To by mohlo zahrnovat lze určit skutečnou velikost molekul: je to mnoho řádů příliš malých na to, aby byly viditelné v mikroskopu.

Nicméně v 19. století byl tento obraz označován jako pouhá „atomová hypotéza “ a byl kritizován z principiálních důvodů (viz článek Atom ). Obecný souhlas našel až v kontextu moderní fyziky na počátku 20. století . Albert Einstein dosáhl průlomu v roce 1905. Teoreticky odvodil, že neviditelné malé atomy nebo molekuly kvůli jejich tepelnému pohybu nepravidelně narážejí na větší částice, které jsou již viditelné pod mikroskopem, takže i ty jsou v neustálém pohybu. Dokázal kvantitativně předpovědět typ pohybu těchto větších částic, což od roku 1907 potvrdil Jean-Baptiste Perrin prostřednictvím mikroskopických pozorování Brownova pohybu a sedimentační rovnováhy. Toto je považováno za první fyzický důkaz existence molekul a atomů.

Současně však pozorování radioaktivity ukázaly, že atomy, jak byly definovány v chemii, nelze ve fyzice považovat za neměnné nebo nedělitelné. Spíše atomy mohou být rozděleny do atomového obalu z elektronů a atomových jader , což se skládá z protonů a neutronů . Elektron, proton a neutron byly poté považovány za elementární částice, brzy spolu s řadou dalších typů částic, které byly objeveny v kosmických paprskech ze 30. let ( např. Mion , pion , kaon , pozitron a další typy antičástic ) a od roku 1950 v experimentech na urychlovačích částic.

Vzhledem k jejich velkému počtu a matoucím vlastnostem a vzájemným vztahům byly všechny tyto typy částic seskupeny pod názvem „částicová zoo“ a byla rozšířená pochybnost, zda by mohly být všechny skutečně elementární ve smyslu toho, že nebudou složeny . První charakteristikou klasifikace bylo rozlišení mezi hadrony a leptony v 50. letech . Hadrony jako protony a neutrony reagují na silnou interakci , leptony jako elektron pouze na elektromagnetickou a / nebo slabou interakci . Zatímco leptony jsou i dnes považovány za elementární, „menší“ částice, kvarky , lze identifikovat v hadronech ze 70. let . Šest typů kvarků jsou skutečně elementární částice podle standardního modelu , ze kterého jsou společně s gluony vytvořeny četné hadrony částicové zoo.

Pole

Fyzická pole, jako je gravitační pole, magnetické pole a elektrické pole, byla a jsou považována za kontinuum. To znamená, že mají v každém bodě prostoru určitou sílu pole, která se může kontinuálně (tj. Bez skoků) měnit prostorově i časově. Objev, že elementární částice také hrají roli v elektromagnetickém poli, připravil Max Planck v roce 1900 a vypracoval jej Albert Einstein v roce 1905 ve formě kvantové hypotézy světla . Podle toho lze volná elektromagnetická pole, která se šíří ve vlnách, budit nebo zeslabovat pouze při skokech o velikosti elementárního kvanta. To, že tyto elektromagnetické kvanty mají všechny vlastnosti elementární částice, bylo uznáno od roku 1923 jako výsledek experimentů Arthura Comptona . Ukázal, že jediný elektron se chová v poli elektromagnetického záření přesně tak, jako by tam narazil do jediné částice. V roce 1926 dostalo toto elektromagnetické kvantum jméno foton .

Až 1930 na základě kvantové mechaniky , jsou kvantové elektrodynamiky vyvinuté, která popisuje vznik fotonové emise v procesu a jeho zničení v absorpčním procesu. V souvislosti s touto teorií se ukazuje, že známá statická elektrická a magnetická pole jsou také důsledkem působení fotonů, které jsou však generovány a ničeny jako takzvané virtuální částice . Foton je kvantové pole elektromagnetického pole a první známá výměnná částice, která způsobí vznik jedné ze základních sil ve fyzice.

To vedlo ke dvěma dalším vývojům: Tvorba a destrukce částic, jako jsou elektrony a neutrina pozorovaná v beta radioaktivitě, byla interpretována jako excitace nebo oslabení „elektronového pole“ nebo „neutrinového pole“, takže tyto částice jsou nyní také prohlíženy jako kvantová pole příslušného pole (viz kvantová teorie polí ). Na druhou stranu byly výměnné částice hledány a nalezeny pro další základní síly: gluon pro silnou interakci (prokázáno 1979), W boson a Z boson pro slabé interakce (prokázáno 1983). Pro gravitaci, čtvrtou a zdaleka nejslabší ze základních interakcí , stále neexistuje žádná uznávaná kvantová teorie pole. Přestože všechny částice podléhají gravitaci, jsou účinky, které lze teoreticky očekávat od reakcí elementárních částic, považovány za nepozorovatelné. Gravitace se tedy ve standardním modelu nezabývá, zejména proto, že kvantum souvisejícího pole, graviton , bylo dosud čistě hypotetické.

Higgs boson je pole kvantová další nové oblasti, která byla vložena do kvantové teorie pole sjednoceného elektromagnetické a slabé interakce ( elektroslabá interakce ), aby bylo možné teoreticky formulovat důsledně skutečnost, že jsou částice s hmotností. Nový typ částic odpovídající těmto očekáváním byl nalezen v roce 2012 při pokusech na Large Hadron Collider poblíž Ženevy.

Seznam elementárních částic

Rozdělení na fermiony a bosony

Elementární částice
Elementární fermiony
(„částice hmoty“)
Elementární bosony
 
Leptony
 
Kvarky
 
Kalibrační bosony
(„silové částice“)
Higgsův boson
 
ν e , ν μ , ν τ , e - , μ - , τ - d, u, s, c, b, t g , γ , W ± , Z 0 H 0

Nejprve se rozlišuje mezi dvěma třídami fermionů a bosonů pro elementární částice (stejně jako pro složené částice) . Fermiony mají poločíselný spin a řídí se zákonem zachování počtu částic, takže mohou vznikat nebo zahynout pouze společně se svými antičásticemi. Bosoni mají celočíselný spin a mohou být vytvářeni a ničeni jednotlivě. S ohledem na zachování hmoty v každodenním životě a v klasické fyzice jsou fermiony mezi elementárními částicemi často považovány za nejmenší částice hmoty a jsou také označovány jako částice hmoty . Na druhé straně jsou bosony mezi elementárními částicemi spojeny s poli, protože intenzita pole v klasické fyzice se může neustále měnit. Bosoni jsou proto často označováni jako kvanta silových nebo radiačních polí nebo zkráceně kvantová pole. V kvantové teorii pole jsou však fermiony také polními kvantami příslušných polí. Z elementárních částic ve standardním modelu leptony a kvarky patří fermionům a výměnné částice stejně jako Higgsův boson (a - pokud existuje - graviton) patří k bosonům.

Leptony

Leptony jsou elementární částice hmoty se spinem, které nepodléhají silné interakci. Jsou to fermiony, které se účastní slabé interakce a jsou-li elektricky nabité, také elektromagnetické.

Elektrický
náboj
generace
1 2 3
-1 Elektron (y) Mion (μ) Tauon (τ)
0 Elektronové neutrinoe ) Muon neutrinoμ ) Tauon neutrino (ν τ )

Existují tři elektricky nabité leptony (náboj = -1e): elektron (e), mion (μ) a tauon (nebo τ lepton) (τ) a tři elektricky neutrální leptony: elektronové neutrinoe ), mionové neutrino (ν μ ) a tauonové neutrino (ν τ ). Leptony jsou uspořádány do tří generací nebo rodin : (ν e , e), (ν μ , μ) a (ν τ , τ). Každá rodina má svůj vlastní počet leptonů, který je vždy zachován, s výjimkou neutrinových oscilací .

Pro každý z těchto typů leptonů existuje odpovídající typ antičástice , který je obecně identifikován podle předchozí slabiky anti- . Pouze antičástice elektronu, která byla první objevenou antičásticí, se říká pozitron . V pozorováních nikdy nenastane, že když se vygeneruje antilepton, nevygeneruje se také lepton nebo se nezničí jiný antilepton. Popisuje tuto situaci, protože se pro každý lepton používá zachování leptonového čísla ( nazývaného také Leptonenladung ) a pro každý antilepton zůstává celková hodnota konstantní. Zachování počtu leptonů se vztahuje na všechny procesy tvorby a zničení leptonů a antileptonů. Teorie nad rámec standardního modelu spekulovaly o možném porušení tohoto zákona, ale dosud nebyly pozorovány, a jsou proto hypotetické.

Jediné stabilní leptony jsou elektron a pozitron. Miony a tauony se spontánně rozpadají tím, že se prostřednictvím slabé interakce transformují na lehčí lepton se stejným elektrickým nábojem, neutrinem a antineutrinem. Alternativně se tauony mohou rozpadnout na neutrino a hadrony.

Kvarky

Kvarky jsou elementární částice hmoty se spinem , které kromě slabé a elektromagnetické interakce podléhají také silné interakci. Jsou to fermiony a kromě slabého isospinu (v závislosti na jejich chirality ) a elektrického náboje nesou také barevný náboj .

Elektrický
náboj
generace
1 2 3
+ 2 / 3 e nahoru (u) kouzlo (c) nahoře (t)
- 1 / 3 e dolů (d) divný (é) spodní část (b)

Existují tři typy kvarků s elektrickým nábojem e: dolní (d), podivný (é) a dolní (b) a tři typy kvarků s elektrickým nábojem e: nahoru (u), kouzlo (c) a horní ( t). Jeden tedy také zná tři generace nebo rodiny kvarků : (d, u), (s, c) a (b, t). Stejně jako u leptonů se rodiny velmi liší svou hmotností. Konverze kvarků probíhají v důsledku slabé interakce, nejlépe v rámci rodiny (např. C ⇒ s). Tyto převody jsou popsány maticí Quark Mixture Matrix.

Při vytváření nebo zničení kvarků nebo antikvarků platí pro zachování čísla baryonu (nazývaného také baryonový náboj) stejná přísnost jako u leptonů (viz výše ): pokud je pro každý kvark a pro každý antikvark nastavena celková hodnota baryonové číslo zůstává u všech známých fyzikálních procesů konstantní. Volba hodnoty je vysvětlena skutečností, že protonům a neutronům stavebních bloků jádra bylo každému přiřazeno baryonové číslo 1 dlouho předtím, než bylo zjištěno, že jsou složeny ze tří kvarků. I zde teorie mimo standardní model spekulují o možných porušeních zachování baryonového čísla, ale dosud nebyly pozorovány, a jsou proto hypotetické.

Kvarky nejsou nikdy pozorovány volně, ale pouze jako vázané složky hadronů (viz níže část „Sloučeniny částic“).

Výměna částic (měřicí bosony)

Částice Zbytek
energie

(GeV)

Spin
( )
Elektrický
náboj
( )
zprostředkovaná
interakce
foton 0 1 0 elektromagnetická síla
Z 0 boson cca 91 1 0 slabá síla
W + boson asi 80 1 +1
W - boson -1
Gluony 0 1 0 silná síla (barevná síla)
( Graviton ) 0 2 0 Gravitace

Výměnné částice jsou bosony, které zprostředkovávají interakce mezi výše uvedenými elementárními částicemi typu fermion . Název měřicího bosonu je vysvětlen skutečností, že standardní model je formulován jako teorie měřidla , kde požadavek na místní invarianci měřidla znamená, že se předpovídají interakce s výměnnými částicemi, které mají spin 1, tj. Jsou bosony .

Graviton nebyl dosud experimentálně prokázán, a je proto hypotetický. Často je však uveden v souvislosti s ostatními výměnnými částicemi, což odráží naději, že v budoucích modelech fyziky částic lze gravitační interakci pojmout také z hlediska teorie kvantového pole. Gravitonové vlastnosti uvedené v tabulce vpravo odpovídají očekáváním podle obecné teorie relativity .

foton

Jako kvantové pole elektromagnetického pole je foton nejdelší známým bosonem měřidla. Může být vytvořen nebo zničen jakoukoli částicí s elektrickým nábojem a zprostředkovává celou elektromagnetickou interakci . Nemá ani hromadný ani elektrický náboj. Kvůli těmto vlastnostem má elektromagnetická interakce nekonečný rozsah a může mít makroskopický účinek.

W a Z bosony

Existují dva W bosony s opačnými elektrickými náboji a neutrální Z boson. Mohou být vytvářeny a zničen jakýmkoliv částice s slabou isospin nebo slabé hypernáboj , a zprostředkovávají slabou interakci . Jsou tedy zodpovědní za všechny transformační procesy, ve kterých se kvark mění na jiný typ kvarku, nebo lepton na jiný typ leptonu. Mají velkou hmotnost, která  omezuje jejich rozsah jako výměnné částice řádově 10 −18 m. Díky tomuto extrémně krátkému dosahu se slabá interakce jeví jako slabá. Na rozdíl od fotonu nesou W bosony také samotné slabé isospiny . Mohou tedy také vzájemně interagovat prostřednictvím slabé interakce.

Gluon

Gluony mohou být generovány a ničeny barevnými částicemi a zprostředkovávat silnou interakci mezi nimi . Kromě kvarků nesou samotné gluony také barevný náboj, každý v kombinaci s antibarevným nábojem. Možné směsi vyplňují osmrozměrný stavový prostor, a proto se obvykle mluví o osmi různých gluonech. Dvě z osmi dimenzí patří státům, ve kterých gluon nese anticolorový náboj přesně odpovídající barevnému náboji; tyto gluony jsou jejich vlastní antičástice. Gluony nemají žádnou hmotnost ani elektrický náboj, ani slabý isospin. Jako nositelé barevných nábojů také vzájemně spolupracují. Tato vlastnost je příčinou uvěznění , které účinně  omezuje rozsah silné interakce na asi 10 −15 m. Jedná se zhruba o průměr hadronů složených z kvarků (například protonů a neutronů) a také rozsah jaderné síly, která drží protony a neutrony pohromadě v atomovém jádru.

Higgsův boson

Higgsův boson je elementární částice předpovězená standardním modelem, který byl objeven v evropském centru jaderného výzkumu CERN . Může být vytvořen a zničen všemi částicemi s hmotou a je kvantovým polem všudypřítomného Higgsova pole , které dává těmto částicím na prvním místě jejich hmotnost. Higgsův boson má spin 0 a nejedná se o měřicí boson.

Částice složené z elementárních částic

Složené částice
Skupina částic Příklady Vysvětlení
Hadrony skládají se z kvarků (a gluonů )
Mezony Hadrony s celočíselným spinem ( bosony )
  Quarkonia J / ψ , Υ , ... těžký tvaroh a jeho antikvark
ostatní q q π , K , η , ρ , D , ... obecně kvark a antikvark
exotický Tetraquarks , Glueballs , ... částečně hypotetické
Baryoni Half-integer spin hadrons ( fermions )
  Nukleony p , n , N rezonance Baryons z U a d kvarky s isospin 1 / 2
Δ-baryony Δ ++ (1232), ... Baryons z U a d kvarky s isospin 3 / 2
Hyperons Λ , Σ , Ξ , Ω Baryony s alespoň jedním s-kvarkem
jiný Λ c , Σ c , Ξ b , ... Baryony s těžšími kvarky
exotický Pentaquarks , ... skládající se z více než tří kvarků
Atomová jádra Baryons vázané pomocí silné interakce
  normální d , α , 12 C , 238 U , ... skládají se z protonů a neutronů
exotický Hyper jádra , ... jiné systémy
Atomy elektromagneticky vázané
  normální H , He , Li , ... se skládají z atomového jádra a elektronů
exotický Positronium , muonium , ... jiné systémy

Částice složené z kvarků (a gluonů) se nazývají hadrony . Až do objevení kvarků a vývoje standardního modelu z doby kolem roku 1970 byly považovány za elementární částice a dodnes se o nich často mluví. Hadrony jsou rozděleny do dvou kategorií: mezony a baryony .

Atomová jádra jsou také tvořena kvarky a vázána silnou interakcí, ale nejsou označována jako hadrony.

Mezony

Mezony mají celočíselný spin, takže jsou to bosony . Jsou to závazné stavy kvarku a antikvarku. Všechny mezony jsou nestabilní. Nejlehčím mezonem je pion , který se v závislosti na elektrickém náboji transformuje na leptony nebo fotony („rozpadá se“). V teorii Yukawa jsou piony považovány za výměnné částice jaderných sil, s nimiž jsou v atomovém jádru vázány protony a neutrony.

Baryoni

Baryony mají spolovice celé číslo, takže jsou to fermiony . Jsou to vazebné stavy ze tří kvarků (analogicky k antibaryonům ze tří antikvarků). Jediné stabilní baryony jsou proton a antiproton. Všichni ostatní jsou nestabilní sami o sobě a nakonec se transformují na proton nebo antiproton, případně prostřednictvím mezikroků. Nejdůležitějšími baryony jsou proton a neutron . Jelikož jsou složkami atomového jádra, jsou souhrnně označovány jako nukleony .

Atomová jádra

Atomová jádra jsou vázané systémy baryonů díky silné interakci. Normálně se skládají z protonů a neutronů - stabilní mohou být pouze taková atomová jádra. Nejmenší stabilní systém tohoto typu je atomové jádro těžkého vodíku, které se říká deuteron a skládá se z jednoho protonu a jednoho neutronu, tj. Šesti kvarků. Proton je obvykle také jedním z atomových jader, protože představuje jádro atomu vodíku . Pokud je jeden nebo více nukleonů nahrazeno jinými baryony, hovoří se o hyperjaderech . Kvůli krátkému dosahu silné interakce není střední vzdálenost mezi baryony v atomovém jádře mnohem větší než jejich průměr.

Atomy

Atomy jsou systémy vázané elektromagnetickou interakcí, které se obvykle skládají z (těžkého) atomového jádra a (lehkých) elektronů. Pokud je nukleon v atomovém jádru a / nebo elektron ve skořápce nahrazen částicemi jiného druhu, vytvoří se nestabilní exotický atom . V 19. století, než byla objevena vnitřní struktura atomů, byly samotné atomy někdy označovány jako elementární částice chemických prvků.

Stabilita a životnost

Z elementárních částic standardního modelu jsou ve volném izolovaném stavu stabilní pouze elektron, pozitron, foton a neutrina.

V případě kvarků a gluonů je těžké mluvit o stabilitě, protože je nelze izolovat. Objevují se pouze u několika společně v hadronech. V něm se neustále transformují z jednoho druhu na druhý silnou interakcí, která je drží pohromadě. Stabilita protonu nebo mnoha dalších atomových jader je platná pouze jako celek, ale ne pro jednotlivý kvark nebo gluon v nich obsažený. Neutrino jednoho ze tří typů neutrin ukazuje periodicky se měnící směs tří typů s neutrinovou oscilací , ale určité směsi různých typů neutrin, tří vlastních stavů hmoty , jsou stabilní. (Totéž platí pro příslušné antičástice.)

Ostatní elementární částice a jejich antičástice jsou v běžném slova smyslu nestabilní: spontánně se transformují na jiné částice s nižší hmotností. Platí zákon radioaktivního rozpadu a na základě radioaktivního rozpadu se hovoří o rozpadu částic, zejména proto, že z jedné částice vždy vzniknou dva nebo tři další. Produkty rozpadu však již nebyly v původní částici vůbec přítomny. Spíše se ničí v procesu dezintegrace, zatímco produkty dezintegrace se regenerují. Průměrná životnost nestabilních elementárních částic se pohybuje mezi  2,10 −6 s (mion) a 4,10 −25  s (Z boson).

Stabilita elementárních částic, jako je elektron, nebo vázaných systémů, jako je proton, atomové jádro nebo atom, je ve standardním modelu obecně vysvětlena skutečností, že neexistuje žádná cesta rozpadu, která není zakázána jedním z obecných konzervačních postupů zákony. Ze zákona zachování energie vyplývá, že součet hmotností produktů rozpadu nemůže být větší než hmotnost rozpadající se částice nebo systému. Ze zákona zachování elektrického náboje vyplývá, že elektron a pozitron jsou stabilní, protože neexistují žádné lehčí částice se stejným nábojem. Pro stabilitu protonu (a dalších jader, ale také antiprotonu atd.) Musí být také použit jeden ze dvou zákonů zachování pro baryonové číslo nebo leptonové číslo. Jinak by pozitron (elektron v případě záporného elektrického náboje) byl možným produktem rozpadu pro všechny kladně nabité elementární částice. Samostatné zákony zachování pro kvarky a leptony jsou však v některých teoretických modelech nad rámec standardního modelu zrušeny. Stabilita protonu se proto kontroluje v experimentech. Rozpady protonů dosud nebyly pozorovány; průměrná životnost protonu, pokud je vůbec konečná, je podle současného stavu (2017) nejméně 10 35 let.

Vlastnosti všech elementárních částic

U standardního modelu platí následující:

  • Mohou být vytvořeny a zničeny všechny základní částice. Kromě jejich bezsílového pohybu prostorem jsou tvorbou a ničením jedinými procesy, kterých se účastní. Jsou tedy také základem každé interakce. Jinak jsou však částice ve svých vnitřních vlastnostech zcela nezměnitelné. Zejména nejsou dělitelné a nemají žádné vzrušené stavy.
  • Všechny elementární částice stejného druhu jsou identické ; H. nerozeznatelný. V nejlepším případě lze rozlišit mezi stavy, které tyto částice v současné době předpokládají. Na druhou stranu je zásadně nemožné určit, které z několika identických částic měly nebo budou v určitém stavu v dřívějším nebo pozdějším okamžiku (viz Identické částice ).
  • Všechny nabité elementární částice mají antičástice, které jsou ve všech vlastnostech přesně stejné, kromě toho, že nesou opačné náboje. Čtyři nenabité elementární fotony foton, boson Z 0 , Higgsův boson a dva gluony jsou jejich vlastní antičástice. Jedna částice a jedna antičástice stejného druhu se mohou navzájem zničit. Nic kromě veškeré vaší energie, hybnosti a momentu hybnosti není zachováno. Ty jsou přeneseny do nově vzniklých částic (viz páru zničení , tvorba pár ).
  • Všechny elementární částice vypadají bodově. Předpokládají pouze stavy, ve kterých mají prostorově rozšířenou pravděpodobnost své přítomnosti (viz vlnová funkce ). Se zvyšujícím se výdajem energie však lze tento typ prostorové expanze tlačit pod jakoukoli dříve zjistitelnou mez bez jakékoli změny vnitřních vlastností částice. S elektronem jsou příslušné experimenty nejvzdálenější a dosáhly rozsahu 10 −19  m.
  • Všechny elementární částice zůstávají až do další interakce členy stejného typu částice. Neutrina jsou určitou výjimkou: Neutrino je vytvořeno ve formě jednoho ze tří pozorovatelných typů zmíněných výše, ale další interakcí interakce ( neutrinová oscilace ) se částečně přeměnilo na jiný z těchto typů . Tato periodicky se měnící směs tří pozorovaných druhů je vysvětlena skutečností, že teoreticky existují tři nezměnitelné typy neutrin s různými přesně definovanými hmotami, zatímco tři pozorované typy neutrin jsou tři určité vzájemně ortogonální lineární kombinace. Přísně vzato, tři pozorované druhy nemají každý ostře definovanou hmotnost, ale hromadné rozdělení.
  • Neměnné vnitřní vlastnosti každé elementární částice jsou
    • jeho klidová energie ( hmota ),
    • jeho rotace (vnitřní moment hybnosti, který má vždy stejnou velikost, případně i v klidovém systému částice. Hodnota nula platí pouze pro Higgsův boson.)
    • jeho vnitřní parita (definovaná jako pozitivní pro částice a negativní pro antičástice)
    • jeho leptonové číslo (hodnota +1 pro každý lepton, −1 pro každý antilepton, nula pro všechny ostatní částice)
    • jeho baryonové číslo (hodnota (z historických důvodů) pro každý kvark, pro každý antikvark, nula pro všechny ostatní částice)
    • jeho elektrický náboj (pokud má hodnotu nula, částice není zapojena do elektromagnetické interakce .)
    • jeho slabý isospin (pokud má hodnotu nula a částice také nemá elektrický náboj, částice není zapojena do slabé interakce .)
    • jeho barevný náboj (pokud má hodnotu nula, částice není zapojena do silné interakce .)

Generace a destrukce jako základ všech procesů

Standardní model předpokládá jako možné procesy pouze vytváření a ničení elementárních částic. První tři příklady vysvětlující toto dalekosáhlé prohlášení:

  • Vychýlení elektronu: Jednoduchá změna směru letu elektronu je vyřešena v procesu zničení a vytvoření: elektron v počátečním stavu je zničen a je generován elektron s hybností v novém směru. Protože elektrony jsou nerozeznatelné částice, otázka, zda „je to stále stejný elektron“, nemá smysl. Tento proces je nicméně obvykle jazykově parafrázován tak, že „elektron“ změnil pouze směr letu. Standardní model umožňuje pouze tento proces, který kombinuje zničení a generování, pokud je zapojena i výměnná částice. Toto je buď absorbováno (zničeno), nebo emitováno (generováno) a v každém případě má přesně takové hodnoty energie a hybnosti, že obě veličiny jsou celkově zachovány. Dotyčné výměnné částice v tomto příkladu jsou foton, Z boson a Higgsův boson. Všechny ostatní jsou vyloučeny: gluony nepřicházejí v úvahu, protože elektron je lepton, a proto nenese barevný náboj; W bosony jsou vyloučeny kvůli přísnému zachování elektrického náboje, protože jsou nabité; když vzniknou nebo zmizí, jejich náboj by se musel objevit v jedné z dalších dvou zúčastněných částic. Elektron má stejný náboj před a po vychýlení.
  • Rozpad Z bosonu na pár elektron-pozitron: Z boson Z je zničen, jsou generovány elektron a anti-elektron (pozitron). Celkový elektrický náboj je zachován, protože pár elektron-pozitron je společně neutrální, jako původní boson Z.
  • Konverze down kvarku na up kvark: Dolní kvark je zničen, up kvark je generován, musí být generována nebo zničena výměnná částice. V tomto případě musí nejen kompenzovat (možnou) změnu hybnosti a energie kvarků, ale také přeměnu elektrického náboje z na . To znamená, že přichází v úvahu pouze W boson se správným znaménkem náboje: pokud je generován, má náboj , jinak . I zde se tato kombinace zničení a vytváření kvarků lingvisticky označuje jako přeměna kvarku na kvark jiného typu. (Tento proces je prvním krokem beta radioaktivity . Vyzařovaný W - boson není stabilní, ale je zničen ve druhém kroku procesu, přičemž je generován vhodný pár fermionů. V beta radioaktivitě je to elektron, beta záření a elektronové antineutrino.)

To vše jsou příklady „třícestného vrcholu“, protože do těchto elementárních kroků procesu jsou vždy zapojeny tři částice, dva fermiony a každý jeden boson. V tomto kontextu slovo vrchol znamená určitou kombinaci procesů tvorby a destrukce. Vychází z grafického symbolického jazyka Feynmanových diagramů , ve kterých je každá částice reprezentována krátkou čarou. Čáry částic zapojených do procesu se setkávají ve společném bodě, vrcholu, kde končí (pro zničení) nebo začínají (pro vytvoření). Řádky pro fermiony (včetně antifermionů) se musí vždy objevit v párech, ať už pro leptony nebo pro kvarky, ale nesmí být smíšené. Třetí řádek musí vždy popisovat boson. Částice a antičástice musí být zapojeny takovým způsobem, aby byl zachován celkový počet leptonů nebo baryonů. Existují také 3cestné vrcholy a 4cestné vrcholy pouze s bosony. Pro další velikosti, které musí být zachovány pro každý vrchol, viz zákon zachování .

Působení jednoho fermionu na druhého, např. B. vzájemné odpuzování dvou elektronů je popsáno jako dvoustupňový proces, tj. Se dvěma 3-cestnými vrcholy: V jednom vrcholu elektron generuje foton, který je absorbován druhým elektronem ve druhém vrcholu. Říká se, že elektrony si vyměňují foton, z něhož je odvozen termín výměnná částice. Obecně každá interakce mezi dvěma fermiony spočívá ve skutečnosti, že dochází k výměně výměnných částic. Podle pravidel kvantové teorie pole se výměnná částice vyhýbá přímému pozorování; zůstává virtuální částice . Bez ohledu na to přenáší hybnost a energii z jedné částice na druhou a způsobuje tak z. B. změna směru letu částic. Toto je pozorovatelný účinek, protože je způsoben silou v klasické fyzice .

Interakce a poplatky

Standardní model se zabývá třemi základními interakcemi :

Čtvrtá základní síla, gravitace , působí na všechny elementární částice, protože všechny částice mají energii. Ve fyzice částic je však většinou opomíjen kvůli jeho nízké síle, zejména proto, že stále neexistuje kvantová teorie gravitace. Stejně tak z. B. graviton , kvantové asociované pole, zatím čistě hypotetické.

Hmotnost (klidová energie)

Na základě Einsteinovy ​​rovnice E = mc 2 odpovídá hmotnost částice energetické hodnotě, zbytkové energii . Vzhledem k tomu, že ve fyzice částic je energie obvykle uvedena v elektronvoltech (eV), je jednotkou hmotnosti eV / c 2 . Zpravidla se používají přirozené jednotky , v takovém případě lze ze specifikace vynechat kvocient „c 2 “ a hmotnost lze zadat v eV.

Hmotnosti elementárních částic se pohybují od 0 eV / c 2 ( foton , gluon ) do 173 GeV / c 2 ( top kvark ). Například hmotnost protonu je 938 MeV / c 2 , hmotnost elektronu 0,511 MeV / c 2 . Při hodnotách nejvýše 1 eV / c 2 mají neutrina nejnižší nenulové hmotnosti. Ve standardním modelu byly původně považovány za nehmotné, dokud nebyly v roce 1998 pozorovány neutrinové oscilace . Z oscilace lze usoudit, že tři typy neutrin mají různé hmotnosti. Ale jsou tak malé, že přesné hodnoty ještě nebylo možné určit.

Roztočit

Všechny elementární částice kromě Higgsova bosonu mají vnitřní moment hybnosti jiný než nula , známý také jako spin. K tomu může dojít pouze v celočíselných nebo polovičních celočíselných násobcích kvanta akce a označuje se to jako kvantové číslo rotace částice. Rotace je vnitřní vlastností částic, její množství nelze změnit, lze změnit pouze jeho orientaci v prostoru. Leptony a kvarky mají výměnné částice , Higgsův boson . Obecně platí, že částice s celočíselným spinem tvoří třídu částic bosonů, částice s půlčíselným spinem tvoří třídu částic fermionů. Bosony lze vytvářet a ničit jednotlivě, např. B. jednotlivé světelné kvantá; Fermiony, na druhé straně, existují pouze v párech jako částice a antičástice. Další důsledky tohoto zásadně důležitého rozdílu viz boson a fermion .

Více kvantových čísel

Další kvantová čísla kvarků a leptonů charakterizují jejich příslušnost k jednomu ze šesti druhů a dále konzervované veličiny, např. B. Isospin , Strangeness , Baryonovo číslo , Leptonovo číslo . Kompozitní hadrons jsou symbolem zjednodušené nebo o. A., Které je počet kvantové z čepů je nezbytné pro parity , která je pro G-paritu a za rok na náboje konjugaci .

Antičástice

Pro každý druh částice existují antičástice. V některých vlastnostech se částice a odpovídající antičástice přesně shodují, např. B. v hmotě, v množství rotace, v životě. Liší se znakem všech poplatků, na které se vztahuje zákon o ochraně přírody. To se týká z. B. elektrický náboj, baryonový a leptonový náboj. Například proton je kladně nabitý a antiproton je záporný.

Částice bez těchto zadržených nábojů, jmenovitě foton a Z boson, jsou jejich vlastní antičástice. Neutrina nejsou zahrnuta, protože jsou pouze elektricky neutrální, ale nesou pozitivní leptonový náboj jako částice a negativní leptonový náboj jako anti-částice. Neutrina proto nejsou totožná s antineutriny a chovají se v experimentu odlišně. Dva W bosony jsou pár částice-antičástice. Gluon je nabitý jedním barevným nábojem a jedním anti-barevným nábojem, takže přidružený antigluon je již zahrnut ve skupině gluonů.

Vzhledem k tomu, že dvojice částic a antičástic je dohromady neutrální vzhledem ke každému ze získaných nábojů, mohou takové páry vznikat „z ničeho“, pokud je k dispozici energie potřebná pro generování jejich hmot ( tvorba dvojic ). Například foton (lepton číslo 0, elektrický náboj 0) se může stát leptonem (lepton číslo 1, elektrický náboj −1) a antileptonem (lepton číslo −1, elektrický náboj +1). Od minimální energie 1,02 MeV je to pár elektron-pozitron, od 212 MeV je také možný pár mion-antimuon. Dochází také k opačné reakci: Zatímco elektrony i pozitrony jsou stabilní díky retenci leptónového čísla nebo retenci elektrického náboje, navzájem se ničí, když se setkají během nanosekund ( zničení ) a zanechají za sebou - v podobě vhodné další elementární částice - nic než celý jejich energetický obsah, tj. alespoň 1,02 MeV, stejně jako - pokud se nerovná nule - jejich celková hybnost a celková moment hybnosti.

Hypotetické elementární částice

Další částice byly postulovány v teoretických modelech, z nichž některé jsou věrohodné, ale některé jsou velmi spekulativní. Tyto zahrnují:

Poznámky

  1. Pokud jsou neutrina fermiony Majorana , pak by byly identické s jejich antičásticemi.

Citáty

"Standardní model je však mnohem více než teoretický model elementárních částic a jejich interakcí." Tvrdí hodnost samostatné teorie všech jevů pozorovaných ve světě elementárních částic. Pro zasvěcené lze teorii představit několika řádky, čímž se vytvoří jakýsi globální vzorec, který teoretičtí fyzici jako Albert Einstein nebo Werner Heisenberg v minulosti bez úspěchu hledali. ““

literatura

webové odkazy

Wikislovník: Elementární částice  - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady

Individuální důkazy

  1. ^ Erhard Scheibe : Filozofie fyziků . 2. vydání. CH Beck, Mnichov 2012, ISBN 978-3-406-54788-1 .
  2. Higgsova částice je objevem roku. In: sueddeutsche.de. 21. prosince 2012, zpřístupněno 9. března 2018 .
  3. Harald Fritzsch : Elementární částice - stavební kameny hmoty. Beck, Mnichov 2004, ISBN 3-406-50846-4 , s. 13.