Základy fyziky elementárnych častíc

Pojem základné nedeliteľné častice siaha až do roku 2005 starovekí Gréci (pojem známy ako „atomizmus“). V 20. storočí začali fyzici skúmať dianie na najmenších úrovniach hmoty a medzi najúžasnejšie moderné objavy patrilo množstvo rôznych častíc vo vesmíre. Kvantová fyzika predpovedá 18 druhov elementárnych častíc a 16 už bolo experimentálne detegovaných. Fyzika elementárnych častíc má za cieľ nájsť zostávajúce častice.

Základný model modernej fyziky je štandardný model fyziky častíc, ktorý klasifikuje elementárne častice do niekoľkých skupín. V tomto modeli sú tri štyri základné sily fyziky sú opísané spolu s kalibračnými bozónmi častice, ktoré sprostredkujú tieto sily. Hoci gravitácia nie je technicky zahrnutá do štandardného modelu, teoretickí fyzici pracujú na rozšírení modelu tak, aby zahŕňal a predpovedal a kvantová teória gravitácie.

Ak sa zdá, že si fyzici častíc užívajú jednu vec, rozdeľuje častice na skupiny. Elementárne častice sú najmenšie zložky hmoty a energie. Pokiaľ vedci dokážu povedať, nezdá sa, že by boli vyrobené kombináciou akýchkoľvek menších častíc.

Všetky elementárne častice vo fyzike sú klasifikované ako buď fermióny alebo bozóny. Kvantová fyzika demonštruje, že častice môžu mať vnútornú nenulovú „spin“ alebo moment hybnosti, spojené s nimi.

Fermion (pomenovaný po Enrico Fermi) je častica s poločíselnou rotáciou, zatiaľ čo bozón (pomenovaný po Satyendra Nath Bose) je častica s celkovým číslom alebo celočíselnou rotáciou. Výsledkom týchto otočení sú rôzne matematické aplikácie v konkrétnych situáciách. Jednoduchá matematika sčítania celých a polovičných čísel ukazuje nasledujúce:

• Kombinácia nepárneho počtu fermiónov bude mať za následok fermión, pretože celková rotácia bude stále polovičnou hodnotou.
• Kombinácia párneho počtu fermiónov vedie k bozónu, pretože celková rotácia vedie k celočíselnej hodnote.

Fermiony majú rotáciu častíc rovnú polovičnej hodnote (-1/2, 1/2, 3/2 atď.). Tieto častice tvoria záležitosť, ktorú pozorujeme v našom vesmíre. Dve základné zložky hmoty sú kvarky a leptóny. Obe tieto subatomické častice sú fermiony, takže všetky bozóny sú tvorené z rovnomernej kombinácie týchto častíc.

Kvarky sú triedou fermionov, ktoré tvoria hadróny, ako napr protóny a neutróny. Kvarky sú základné častice, ktoré interagujú cez všetky štyri základné sily fyziky: gravitácia, elektromagnetizmus, slabá interakcia a silná interakcia. Kvarky vždy existujú v kombinácii a vytvárajú subatomické častice známe ako hadróny. Existuje šesť rôznych typov kvarkov:

• Dolný kvark
• Divný kvark
• Down Quark
• Top Quark
• Charm Quark
• Hore Quark

Leptóny sú typom základných častíc, ktoré nemajú silnú interakciu. Existuje šesť odrôd leptonu:

• elektrón
• Electron Neutrino
• muon
• Muon Neutrino
• tau
• Tau Neutrino

Každá z troch "príchutí" leptonu (elektrón, mión a tau) je zložená z "slabého dubletu", vyššie uvedenej častice spolu s takmer nehmotnou neutrálnou časticou nazývanou neutríno. Elektrónový lepton je teda slabým dubletom elektrónu a elektrónového neutrínu.

Bosóny majú rotáciu častíc rovnú celému číslu (celé čísla ako 1, 2, 3 atď.). Tieto častice sprostredkovávajú základné sily fyziky v rámci kvantových teórií poľa.

• fotón
• W Boson
• Z Boson
• gluon
• Higgs Boson
• gravitón

Hadróny sú častice tvorené viacnásobne viazanými kvarkmi tak, že ich rotácia je polovičnou hodnotou. Hadróny sa delia na mezóny (čo sú bozóny) a baryóny (čo sú fermiony).

• mezóny
• baryons
• nukleónmi
• Hyperóny: častice s krátkym časom života zložené z podivných kvarkov

Molekuly sú komplexné štruktúry zložené z viacerých atómov spojených dohromady. Základné chemické stavebné prvky hmoty, atómy sú zložené z elektrónov, protónov a neutrónov. Protóny a neutróny sú nukleóny, typ baryónu, ktoré spolu tvoria zloženú časticu, ktorá je jadrom atómu. Štúdium toho, ako sa atómy viažu dohromady, aby vytvorili rôzne molekulárne štruktúry, je základom moderného chémia.

Vo fyzike častíc môže byť ťažké udržať všetky mená rovno, takže by mohlo byť užitočné myslieť na svet zvierat, kde by takéto štruktúrované pomenovanie mohlo byť známe a intuitívnejšie. Ľudia sú primáti, cicavce a tiež stavovce. Podobne sú protóny nukleóny, baryóny, hadróny a tiež fermiony.

Nešťastný rozdiel spočíva v tom, že podmienky majú tendenciu znieť navzájom. Napríklad mätúce bozóny a baryóny sú omnoho ľahšie ako mätúce primáty a bezstavovce. Jediným spôsobom, ako skutočne udržať tieto rôzne skupiny častíc oddelené, je ich starostlivo preštudovať a pokúsiť sa dať pozor na to, ktorý názov sa používa.

Upravil Anne Marie Helmenstine, Ph. D.