Elementarioji (fundamentali) dalelė – apibrėžimas, rūšys ir savybės

Sužinokite, kas yra elementarioji dalelė: apibrėžimas, fermionai ir bozonai, kvarkai, leptonai, Higso bozonas ir pagrindinės savybės — masė, krūvis, sukinys.

Autorius: Leandro Alegsa

28-01-2026 20:27

Fizikoje elementarioji dalelė arba fundamentalioji dalelė yra dalelė, kuri nėra sudaryta iš kitų dalelių. Jos laikomos baziniais materijos ir sąveikų vienetais mikropasaulyje. Elementariųjų dalelių savybės ir tarpusavio sąveikos aprašomos kvantinės lauko teorijos ir ypač Standartinio modelio rėmuose.

Klasifikacija pagal Standartinį modelį

Elementarioji dalelė pagal Standartinį modelį paprastai skirstoma į dvi dideles grupes: fermionas ir bozonas. Fermionai yra materijos sudedamosios dalys (pvz., elektronas, kvarkai) ir turi pusinį (spin 1/2); jie paklūsta Pauli uždraudimui. Bozonai yra sąveikų nešėjai (pvz., fotonas, gluonas) ir turi sveiką sukinį (pvz., 1). Bozonai gali leisti kelioms dalelėms užimti tą patį kvantinį būseną.

Standartinis modelis išskiria:

kvarkus (sudaro protonus ir neutronus, turi spalvos krūvį ir dalyvauja stipriojoje sąveikoje),
leptonus (elektronas, muonas, neutrino ir jų šeimos nariai),
gabaritinius (gauge) bozonus, kurie perduoda sąveikas (fotono vaidmuo elektromagnetizme, W ir Z bozonai silpnajai sąveikai, gliuonai stipriajai),
bei Higsobozoną, kuris užima ypatingą vietą kaip skalariška (ne gabaritinė) dalelė ir susijęs su masių atsiradimu per Higo mechanizmą.

Atominės dalelės ir sudėtinės dalelės

Iš atomą sudarančių dalelių tik elektronas laikomas elementariąja dalele (pagal Standartinį modelį). Protonus ir neutronus sudaro po tris kvarkus, todėl jie yra sudėtinės dalelės — jų vidinė struktūra priklauso nuo kvarkų ir gliuonų sąveikos. Kvarkus tarpusavyje jungia gliuonai; šią stipriąją sąveiką aprašo kvantinė chromodinamika (QCD).

Branduolio mastu stiprioji sąveika taip pat pasireiškia per vadinamąjį liekamąjį poveikį, kurį galima modeliuoti virtualių pionų mainais: branduolyje esančios dalelės (protonai ir neutronai) sąveikauja per pionų laukus, sudarytus iš kvarkų–antikvarkų porų, kurias tarpusavyje laiko gliuonai. Tokie pionai yra efektyvios teorijos elementai, apibūdinantys branduolinę sąveiką didesniu masteliu.

Pagrindinės savybės

Yra kelios svarbios elementariosios dalelės savybės, kurioms priskiriamos skaitinės reikšmės ir kurios lemia dalelių elgseną:

Mišios (masė): Dalelė turi masę, jei jos greičiui didinti ar pagreitinti reikia energijos. Masė dažnai matuojama energijos vienetais per MeV/c2s (pvz., megaelektronvoltai per šviesos greičio kvadratą). Tai išplaukia iš specialiojo reliatyvumo, kurio E = mc2. Daugeliui dalelių masę suteikia Higsobozonas per Higo mechanizmą; tačiau Standartinis modelis negali pilnai paaiškinti visų masių (pvz., neutrino masių kilmės reikėjo papildomų pataisymų). Massless (be masės) dalelės, kaip fotonas, neturi nykios ramybės masės, tačiau energija ir judėjimas vis tiek gali sąveikauti su gravitacija pagal bendrąjį reliatyvumą.
Elektros krūvis: Dalelės gali turėti teigiamą, neigiamą arba nulinį elektros krūvį. Elektrinis krūvis yra vienas iš pagrindinių kvantinių skaičių ir yra išsaugoma sąveikų metu. Jei viena dalelė turi neigiamą krūvį, o kita — teigiamą, jos traukia viena kitą; vienodo ženklo krūviai stumia. Elektronas turi krūvį −1, protonas +1, o neutronas elektringai neturi (vidutinis krūvis 0). Kvarkai turi frakcinius krūvius (pvz., +2/3 arba −1/3), bet jie visada konfinuojasi į pačius sudėtinius objektus, kurių bendras elektrinis krūvis yra sveikas skaičius.
Sukinys: tai dalelės vidinis kampinis momentas (spin). Sukinio reikšmė gali būti sveikasis arba pusinis (pvz., 0, 1/2, 1 ...). Fermionai turi pusinį sukinį (1/2, 3/2 …), o bozonai — sveiką (0, 1 …). Sukinys yra kvantinė savybė, kuri neturi analogijos su klasikiniu dalelių sukimusi — dalelės "nesisuka" erdvėje tokiu pačiu būdu kaip makroskopiniai objektai, bet spin lemia magnetines savybes ir kvantines taisykles, pavyzdžiui, Pauli uždraudimą fermionams.

Kitos svarbios kvantinės savybės

Be masės, krūvio ir sukino, dalelės turi ir kitų kvantinių skaičių: spalvos krūvis (kvarkams), leptoninis ir barioninis skaičiai, giluminis (flavor) kvantinis skaičius, weak isospin ir pan. Taip pat visi dalelių tipus lydi atitinkami antiproduktai: kiekvienai daleliai egzistuoja anti-dalelė su priešingu kai kurių kvantinių skaičių ženklu (pvz., priešingas elektros krūvis).

Sąveikos ir saugotinos konstantos

Dalelės sąveikauja per keturias pagrindines jėgas: elektromagnetinę, stipriąją, silpnąją ir gravitacinę. Pastarasis neįtrauktas į Standartinį modelį kvantiniu pavidalu. Elektromagnetinę, silpnąją ir stipriąją sąveikas perneša bozonai (fotono, W/Z, gliuonų serijos). Saugomos fizikinės konstantos — pvz., elektros krūvis, energija, tam tikri skaičiai (leptoninis, barioninis) — lemia, kas vyksta pavienių dalelių susijungimuose ar skilimuose.

Ribotumai ir tolesni tyrimai

Nors Standartinis modelis labai tiksliai nuspėja daug reiškinių, jis neapima visko: jis neaprašo tamsiosios materijos, neutrino masės kilmės pilnai, ir negali apjungti gravitacijos kvantiniu lygmeniu. Todėl dalykų, kaip supersimetrija, didžiojo suvienijimo teorijos ir kvantinė gravitacija, tyrimai tebėra aktyvūs dalelių fizikos srityse. Eksperimentai didžiuosiuose hadronų pastūmėliuose bei neutrino detektoriuose ir toliau ieško naujų dalelių ir netikėtų sąveikų.

Santraukoje: elementarioji dalelė — tai fundamentali vienetas fizikiniame pasaulyje, kurį apibūdina tokios savybės kaip masė, krūvis ir sukinys, o jų elgesį ir tarpusavio sąveikas plačiausiai aprašo Standartinis modelis. Tačiau mokslas dar ieško platesnio aiškinimo, apimančio ir jėgas bei daleles už šio modelio ribų.

Standartinis elementariųjų dalelių modelis. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.

Fermionai

Fermionai (pavadinti mokslininko Enrico Fermi vardu) turi sukinio skaičių ½ ir yra kvarkai arba leptonai. Yra 12 skirtingų fermionų rūšių (neskaitant antimedžiagos). Kiekviena rūšis vadinama "skoniu". Skoniai yra šie:

Kvarkai: aukštyn, žemyn, žavieji, keistieji, viršutiniai, apatiniai. Kvarkai būna trijų porų, vadinamų "kartomis". Pirmoji karta (aukštyn ir žemyn) yra lengviausia, o trečioji (viršus ir apačia) - sunkiausia. Kiekvienos poros (aukštyn, žavesys ir viršus) vienas narys turi ⅔ krūvį. Kitas narys (žemyn, keistasis ir apatinis) turi krūvį -⅓.
Leptonai: elektronas, miuonas, tau, elektroninis neutrinas, miuono neutrinas, tau neutrinas. Neutrinai turi 0 krūvį, todėl turi priešdėlį neutr-. Kiti leptonai turi krūvį -1. Kiekvienas neutrinas pavadintas atitinkamo pradinio leptono vardu: elektronas, miuonas ir tauonas.

Manoma, kad šeši iš dvylikos fermionų yra amžini: aukštyn ir žemyn kylantys kvarkai, elektronas ir trijų rūšių neutrinai (kurie nuolat keičia spalvą). Kiti fermionai suyra. Tai reiškia, kad jie suyra į kitas daleles praėjus daliai sekundės nuo jų sukūrimo. Fermio ir Dirako statistika yra teorija, kuri apibūdina fermionų kolekcijų elgesį. Iš esmės toje pačioje vietoje vienu metu negali būti daugiau nei vienas fermionas.

Bosonai

Bozonai, pavadinti indų fiziko Satjendros Natho Boso vardu, turi sukinį 1. Nors dauguma bozonų sudaryti iš daugiau nei vienos dalelės, yra dviejų rūšių elementariųjų bozonų:

Gauge bozonai: gliuonai, W+ir W-bozonai, Z0bozonai ir fotonai. Šie bozonai perneša 3 iš 4 fundamentaliųjų jėgų ir jų sukinio skaičius yra 1;

Gliuonas: Gliuonai yra masės neturinčios ir krūvio neturinčios dalelės, kurios yra stipriosios jėgos sąveikos nešėjos. Kartu su kvarkais jie jungiasi į sudėtines daleles, vadinamas hadronais, kuriems priklauso protonai ir neutronai.
W ir Z bozonai: W ir Z bozonai yra silpnąją jėgą perduodančios dalelės. W bozonas turi materijos dalelę (W+) ir antimaterijos dalelę (W-), o Z bozonas yra jo paties antimaterijos dalelė. W bozonas susidaro beta skilimo metu, tačiau beveik iš karto virsta neutrinu ir elektronu. W ir Z bozonai buvo atrasti 1983 m.
Fotonas: Fotonai yra masės neturinčios ir krūvio neturinčios dalelės, pernešančios elektromagnetinę jėgą. Fotonai gali turėti tam tikrą dažnį, kuris lemia, kokia elektromagnetinė spinduliuotė jie yra. Kaip ir visos kitos masės neturinčios dalelės, jie sklinda šviesos greičiu (300 000 km/s).

Higso bozonas: Fizikai mano, kad masyviosios dalelės turi masę (t. y. jos nėra gryni energijos pluoštai, kaip fotonai) dėl Higgso bozono sąveikos.

Fotonas ir gliuonai neturi krūvio ir yra vienintelės elementariosios dalelės, kurių masė tikrai lygi 0. Fotonas yra vienintelis bozonas, kuris nesuyra. Bozės-Einšteino statistika yra teorija, kuri aprašo, kaip elgiasi bozonų rinkiniai. Skirtingai nei fermionai, toje pačioje erdvėje vienu metu gali būti daugiau nei vienas bozonas.

Standartinis modelis apima visas pirmiau aprašytas elementariąsias daleles. Visos šios dalelės buvo stebėtos laboratorijoje.

Standartiniame modelyje nekalbama apie gravitaciją. Jei gravitacija veikia kaip ir kitos trys fundamentaliosios jėgos, tuomet gravitaciją perneša hipotetinis bozonas, vadinamas gravitonu. Gravitonas dar neatrastas, todėl jis neįtrauktas į pirmiau pateiktą lentelę.

Pirmasis atrastas fermionas, apie kurį žinome daugiausiai, yra elektronas. Pirmasis atrastas bozonas, apie kurį taip pat žinome daugiausiai, yra fotonas. Teorija, kuri tiksliausiai paaiškina, kaip elektronas, fotonas, elektromagnetizmas ir elektromagnetinis spinduliavimas veikia kartu, vadinama kvantine elektrodinamika.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra elementariosios dalelės?

A: Elementariosios dalelės - tai dalelės, kurios nėra sudarytos iš kitų dalelių.

K: Kiek grupių priklauso elementariosioms dalelėms?

A: Elementariosios dalelės gali priklausyti vienai iš dviejų grupių: fermionų arba bozonų.

K: Kas yra standartinis modelis?

A: Standartinis modelis yra labiausiai pripažintas būdas paaiškinti dalelių elgesį ir jas veikiančias jėgas.

K: Kaip elementariosios dalelės grupuojamos pagal standartinį modelį?

A: Pagal Standartinį modelį elementariosios dalelės dar skirstomos į kvarkus, leptonus ir gabaritinius bozonus, o Higgso bozonas turi ypatingą statusą - jis nėra gabaritinis bozonas.

K: Ar protonai ir neutronai laikomi elementariosiomis dalelėmis?

Atsakymas: Ne, protonai ir neutronai nelaikomi elementariosiomis dalelėmis, nes kiekvienas jų sudarytas iš 3 kvarkų, todėl jie yra sudėtinės dalelės, t. y. sudarytos iš kitų mažesnių dalelių.

K: Kokios savybės apibūdina elementariąją dalelę?

A: Elementariosios dalelės apibūdinamos trimis pagrindinėmis savybėmis: mase, krūviu ir sukiniu, kiekvienai savybei priskiriama tam tikra skaitinė reikšmė.

K: Ar gravitacija veikia visų tipų daleles, net ir tas, kurios neturi masės, pavyzdžiui, fotonus?

Atsakymas: Taip, dėl bendrojo reliatyvumo gravitaciją patiria visų tipų dalelės, taip pat ir tos, kurios neturi masės, pavyzdžiui, fotonai.

Ieškoti