Cząstka elementarna – w fizyce , cząstka, będąca podstawowym budulcem, czyli najmniejszym i nieposiadającym wewnętrznej struktury . Niemniej pojęcie to ze względów historycznych ma trochę inne znaczenie.

Badaniem tych cząstek zajmuje się fizyka cząstek elementarnych .

Historia

Pojęcie cząstki elementarne wprowadzono w latach 1930-1935 i oznaczało ono elektron , proton , neutron i kwant pola elektromagnetycznego ( foton ). W tamtych czasach uznawano, że cała materia zbudowana jest z tych cząstek.

W latach późniejszych odkryto miony , mezony , hiperony i wiele innych cząstek oraz ich antycząstki , początkowo wszystkie były uznane za elementarne. Obecnie znanych jest ponad 200 takich cząstek^[1], większość z nich współcześnie nie jest już uważana za elementarne.

Próby zmiany definicji

Wśród fizyków nie ma obecnie jednomyślności w uznaniu definicji cząstki elementarnej, choć przeważa pogląd:

Cząstkami elementarnymi są te wszystkie cząstki, które są niezbędne do wyjaśnienia własności wszystkich form materii, i tylko te, których nie można wyjaśnić przez inne cząstki. Z definicji tej wynika, że są one jednocześnie podstawowym budulcem materii i nie posiadają wewnętrznej struktury.

Tak zwana hipoteza demokracji cząstek zakłada, że wszystkie cząstki są sobie nawzajem potrzebne i nawzajem tłumaczą się teoretycznie. W myśl tego poglądu oraz ze względów historycznych terminu cząstki elementarne używa się czasem także w odniesieniu do hadronów (czyli do kilkuset cząstek jak proton, czy neutron, nie będących w istocie cząstkami elementarnymi).

Terminu tego używa się jednak tylko w kontekście, w którym nie powoduje on niejednoznaczności, co do znaczenia w jakim się go używa.

Niejednoznaczności w definicji spowodowało wprowadzenie pojęcia cząstki fundamentalne określające cząstki elementarne w myśl pierwszej definicji.

Ścisła definicja cząstek elementarnych (w znaczeniu fundamentalnych) oznacza, że w miarę postępu badań pewne cząstki mogą przestać być elementarne.

Cząstki elementarne w strukturze materii

Z cząstek elementarnych zbudowane są wszystkie inne cząstki. Na przykład atomy zbudowane są z mniejszych cząstek takich jak elektrony , protony i neutrony . Protony i neutrony są również cząstkami złożonymi z innych, bardziej podstawowych cząstek – kwarków . Najważniejszym problemem w fizyce cząstek jest znalezienie czegoś, co można uznać za cząstki fundamentalne, z których, jak z budulca, złożone byłyby wszystkie inne cząstki "elementarne", a które same nie byłyby już złożone z niczego innego.

Cząstki elementarne Modelu Standardowego

Model Standardowy wprowadza 12 cząstek, z których zbudowana jest materia ^[2], zwanych fermionami i 12 cząstek odpowiedzialnych za przenoszenie oddziaływań między innymi cząstkami zwanych bozonami ("cząstek promieniowania ").

Fermiony

Dwanaście rodzajów fermionów podzielonych jest na trzy rodziny, po cztery cząstki w każdej. Sześć z nich to kwarki , pozostałe sześć to leptony . Trzy z leptonów są neutrinami (obojętnymi elektrycznie), dalsze trzy mają ładunek elektryczny -1: elektron, mion i taon .

Oprócz tego należy uwzględnić dwanaście rodzajów antycząstek do wymienionych tu fermionów. Antycząstką elektronu jest pozyton (e⁺) o ładunku +1, dodatni mion μ⁺ jest antycząstką mionu, zaś dodatni taon τ⁺ antycząstką taonu. Antykwarkami są: antykwark górny , antykwark dolny , antykwark powabny , antykwark dziwny , antykwark wysoki i antykwark niski . Antyneutrina to antyneutrino elektronowe , antyneutrino mionowe i antyneutrino taonowe .

Jak dotąd nigdy nie zaobserwowano kwarków i antykwarków w stanie wolnym, tzn. niepołączonych w inne cząstki. Kwark może łączyć się z antykwarkiem, tworząc mezon : kwarki charakteryzują się " kolorem " – odpowiedni antykwark obdarzony jest wówczas "antykolorem". Kolor i antykolor znoszą się wzajemnie, dając w wyniku kolor biały, co oznacza kolor obojętny (nie ma to nic wspólnego z kolorami widzianymi, jedynie taka jest terminologia). Kwarki mogą też łączyć się z innymi kwarkami w grupy po trzy, tworząc bariony : kwark "czerwony" łączy się z "zielonym" i "niebieskim". Ich kolory znów znoszą się dając kolor biały, czyli znów brak ładunku koloru. Trzy antykwarki, "antyczerwony", "antyzielony" i "antyniebieski" w połączeniu dają antybarion o kolorze "antybiałym", co oznacza, że antybarion również nie przejawia ładunku koloru. Kolor i antykolor są jedynie cechami kwarków i antykwarków i nie mogą istnieć oddzielnie od nich.

Same kwarki mogą przenosić ładunek elektryczny, który jest ułamkową częścią ładunku elementarnego , ale jak dotąd w przyrodzie nie został on zaobserwowany – Model Standardowy przewiduje, że kwarki łączą się w taki sposób, że wypadkowy ładunek powstałej cząstki jest całkowitą krotnością ładunku elementarnego. Ładunek przenoszony przez kwarki może być równy +2/3 lub -1/3 ładunku elementarnego, antykwarki przenoszą wówczas ładunek -2/3 lub +1/3.

Bozony

Z 12 rodzajów bozonów 8 to tak zwane gluony . Są to obojętne cząstki o masie spoczynkowej zero, obdarzone jednocześnie ""kolorem" i "antykolorem". Gluony są podobne do mezonów, jednak są kolejnym rodzajem cząstek fundamentalnych – nie są zbudowane z kwarków, ani nie są kwarkami. W przypadku gluonów kolor i antykolor nie znoszą się wzajemnie: istnieją gluony niosące kolor "czerwony"/"antyzielony", co w przypadku mezonów nie jest możliwe. Gluony są odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań silnych .

Z pozostałych bozonów fundamentalnych trzy: wuony (W⁺, W^-) i zeton (Z⁰), są odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań słabych . Ostatnim bozonem fundamentalnym jest foton , który pośredniczy w przenoszeniu oddziaływań elektromagnetycznych . Bozonami, czyli cząstkami o spinie całkowitym, są również mezony. Jako złożone z kwarków nie są jednak bozonami fundamentalnymi.

Nowe teorie

Obecnie zaczyna panować przekonanie, że Model Standardowy jest teorią tymczasową i trwają intensywne prace nad znalezieniem teorii bardziej podstawowej – być może cząstki uważane za "elementarne" przez Model Standardowy, w nowej teorii okażą się cząstkami złożonymi; fizycy mają też nadzieję, że będzie ona zawierała cząstki nieujęte w Modelu Standardowym. Chodzi tu przede wszystkim o hipotetyczne grawitony , które miałyby być odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań grawitacyjnych . Ogólna teoria miałaby łączyć wreszcie wszystkie cztery typy podstawowych oddziaływań w przyrodzie.

Według teorii superstrun , każda cząstka fundamentalna jest przejawem innego rodzaju drgań superstruny (struny drgają bezustannie w sposób podobny jak fale stojące: cząstki miałyby być obrazem drgań analogicznie jak orbitale atomowe w modelu atomu Bohra są węzłami fali stojącej według teorii fal materii ). Wszystkie struny są takie same, różne są jedynie sposoby ich wibracji. Masywniejsze cząstki odpowiadają drganiom strun o większej energii. W teorii superstrun jednakże cząstki nie zawierają strun – one są strunami.

Istnieje też grupa modeli zwanych supersymetrycznymi . Przewiduje ona, że każda ze znanych cząstek ma swego, nieodkrytego jeszcze, supersymetrycznego partnera, zwanego s-cząstką. S-cząstki mają większą masę niż "zwykłe" cząstki: rozważania teoretyczne sugerują, że masa ich może leżeć w obszarze kilkuset GeV do 1 TeV, czyli nieco poza zasięgiem istniejących akceleratorów . Istnieje więc nadzieja, że w roku 2010, po uruchomieniu akceleratora LHC powinno udać się potwierdzić istnienie s-cząstek. Ponieważ teoria superstrun implikuje istnienie supersymetrii, byłby więc to również pośrednio argument za jej prawdziwością.

Przypisy

Zobacz też

• pojęcie cząstki w fizyce