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.