Elementarioji dalelė
Fizikoje elementarioji dalelė arba fundamentalioji dalelė yra dalelė, kuri nėra sudaryta iš kitų dalelių.
Elementarioji dalelė gali būti vienos iš dviejų grupių: fermionas arba bozonas. Fermionai yra materijos sudedamosios dalys ir turi masę, o bozonai yra fermionų sąveikos jėgos nešėjai ir kai kurie iš jų neturi masės. Standartinis modelis yra labiausiai pripažintas būdas paaiškinti, kaip dalelės elgiasi ir kokios jėgos jas veikia. Pagal šį modelį elementariosios dalelės dar skirstomos į kvarkus, leptonus ir gabaritinius bozonus, o Higsobozonas turi ypatingą statusą kaip ne gabaritinis bozonas.
Iš atomą sudarančių dalelių tik elektronas yra elementarioji dalelė. Protonus ir neutronus sudaro po 3 kvarkus, todėl jie yra sudėtinės dalelės, t. y. dalelės, sudarytos iš kitų dalelių. Kvarkus tarpusavyje jungia gliuonai. Branduolyje yra bozonų pionų laukai, atsakingi už stipriąją branduolinę jėgą, jungiančią protonus ir neutronus, prieš elektrostatinę protonų atstūmimo jėgą. Tokius virtualius pionus sudaro kvarkų antikvarkų poros, kurias vėlgi laiko kartu gliuonai.
Yra trys pagrindinės elementariąją dalelę apibūdinančios savybės: masė", "krūvis" ir "sukinys". Kiekvienai savybei priskiriama skaičiaus reikšmė. Masės ir krūvio skaičius gali būti lygus nuliui. Pavyzdžiui, fotono masė lygi nuliui, o neutrino krūvis lygus nuliui. Šios elementariosios dalelės savybės visada išlieka tokios pačios.
- Mišios: Dalelė turi masę, jei jos greičiui padidinti arba pagreitinti reikia energijos. Lentelėje dešinėje pateikta kiekvienos elementariosios dalelės masė. Reikšmės pateiktos MeV/c2s (t. y. megaelektronvoltais per "c" kvadratu), t. y. energijos vienetais per šviesos greičio kvadratą. Tai išplaukia iš specialiojo reliatyvumo, kuris teigia, kad energija lygi masei, padaugintai iš šviesos greičio kvadrato. Visos masę turinčios dalelės sukuria gravitaciją. Gravitacija veikia visas daleles, net ir tokias masės neturinčias daleles kaip fotonas (žr. bendrąjį reliatyvumą).
- Elektros krūvis: Dalelės gali turėti teigiamą arba neigiamą krūvį, arba jo visai neturėti. Jei viena dalelė turi neigiamą krūvį, o kita - teigiamą, šios dvi dalelės traukia viena kitą. Jei abi dalelės turi neigiamą krūvį arba abi turi teigiamą krūvį, dvi dalelės stumiamos viena nuo kitos. Mažais atstumais ši jėga yra daug stipresnė už gravitacijos jėgą, kuri traukia visas daleles kartu. Elektronas turi krūvį -1. Protonas turi krūvį +1. Neutronas turi vidutinį krūvį 0. Normalūs kvarkai turi ⅔ arba -⅓ krūvį.
- Sukinys: dalelės kampinis momentas arba pastovus sukinys turi tam tikrą vertę, vadinamą sukinio skaičiumi. Elementariųjų dalelių sukinys yra lygus vienetui arba ½. Dalelių sukinio savybė reiškia tik kampinio momento buvimą. Tikrovėje dalelės nesisuka.
Masė ir krūvis yra savybės, kurias matome kasdieniame gyvenime, nes gravitacija ir elektra veikia daiktus, kuriuos žmonės mato ir liečia. Tačiau sukinys veikia tik subatominių dalelių pasaulį, todėl jo negalima tiesiogiai stebėti.
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.
