Hiukkasfysiikan perusteet

Periaatteellisten jakamattomien hiukkasten käsite juontaa juurensa muinaiset kreikkalaiset (käsite, joka tunnetaan nimellä "atomismi"). 1900-luvulla fyysikot alkoivat tutkia matkoja aineen pienimmillä tasoilla, ja heidän hätkähdyttävimpien uusimpien löytöjensä joukossa oli erilaisten hiukkasten määrä maailmankaikkeudessa. Kvanttifysiikka ennustaa 18 tyyppisiä alkuainehiukkasia, ja 16 on jo kokeellisesti havaittu. Alkuainehiukkasfysiikan tavoitteena on löytää jäljellä olevat hiukkaset.

Hiukkasfysiikan standardimalli, joka luokittelee alkuainehiukkaset useisiin ryhmiin, on nykyaikaisen fysiikan ydin. Tässä mallissa kolme neljä fysiikan perusvoimaa on kuvattu yhdessä mittaribosonien kanssa hiukkasilla, jotka välittävät nuo voimat. Vaikka painovoima ei sisälly teknisesti standardimalliin, teoreettiset fyysikot pyrkivät laajentamaan mallia sisällyttämään ja ennakoimaan a painovoiman kvantiteoria.

Jos hiukkasfyysikot näyttävät nauttivan yhdestä asiasta, se on hiukkasten jakaminen ryhmiin. Alkuainehiukkaset ovat aineen ja energian pienimpiä ainesosia. Sikäli kuin tutkijat voivat kertoa, ne eivät näytä olevan tehty pienempien hiukkasten yhdistelmistä.

Kaikki fysiikan perushiukkaset luokitellaan joko fermioneja tai bosonit. Kvanttifysiikka osoittaa, että hiukkasilla voi olla luontainen nollasta poikkeava "spin" tai kulmainen vauhti, liitetty heihin.

Fermion (nimeltään Enrico Fermi) on partikkeli, jolla on puoliluku kokonais spinää, kun taas bosoni (nimeltään Satyendra Nath Bose) on partikkeli, jolla on kokonaisluku tai kokonaisluku spin. Nämä spinnit johtavat erilaisiin matemaattisiin sovelluksiin tietyissä tilanteissa. Yksinkertainen kokonaislukujen ja puolittain kokonaislukujen lisäämisen matematiikka näyttää seuraavan:

• Parittoman määrän fermioneja yhdistämällä saadaan fermioni, koska kokonaispyöräytys on silti puoli-kokonaislukuarvo.
• Parillisen määrän fermionien yhdistäminen johtaa bosoniin, koska kokonaispyöräytys johtaa kokonaislukuarvoon.

Fermioneilla on hiukkaslinko, joka on yhtä suuri kuin puoli-kokonaisluku (-1/2, 1/2, 3/2 jne.). Nämä hiukkaset muodostavat asian, jota havaitsemme maailmankaikkeudessa. Aineen kaksi perusosaa ovat kvarkkien ja leptonit. Molemmat näistä alaatomisista hiukkasista ovat fermioneja, joten kaikki bosonit luodaan näiden hiukkasten tasaisesta yhdistelmästä.

Kvarkit ovat fermionien luokka, jotka muodostavat hadronit, kuten protoneja ja neutronit. Kvarkit ovat perustavanlaatuisia hiukkasia, jotka ovat vuorovaikutuksessa kaikkien neljän fysiikan perusvoiman: painovoiman, sähkömagnetismi, heikko vuorovaikutus ja vahva vuorovaikutus. Kvarkeja esiintyy aina yhdistelmänä, jotta muodostuu subatomisia hiukkasia, jotka tunnetaan nimellä hadronit. Kvarkeja on kuusi erillistä tyyppiä:

• Pohjatukka
• Strange Quark
• Kvarkki alas
• Huippukvarkki
• Charm Quark
• Ylös Quark

Leptonit ovat eräänlainen perushiukkaset, jotka eivät koe vahvaa vuorovaikutusta. Lepton-lajikkeita on kuusi:

• elektroni
• Elektroni Neutrino
• muon
• Muon Neutrino
• Tau
• Tau Neutrino

Jokainen kolmesta leptonin "mausta" (elektroni, muoni ja tau) koostuu "heikosta dubletista", edellä mainitusta hiukkasesta, samoin kuin käytännöllisesti katsoen massattomalla neutraalilla hiukkasella, jota kutsutaan neutriino. Siten elektronileptoni on elektronien ja elektronien neutriinojen heikko dubletti.

Bosonien hiukkasten spin on yhtä suuri kuin kokonaisluku (kokonaislukuja, kuten 1, 2, 3 ja niin edelleen). Nämä hiukkaset välittävät fysiikan perusvoimia kvanttikenttäteoriassa.

• Fotoni
• W Boson
• Z Boson
• gluoni
• Higgsin bosoni
• Graviton

Hadronit ovat hiukkasia, jotka koostuvat moninkertaisesti sitoutuneista kvarkeista siten, että niiden spin on puolittain kokonaisluku. Hadronit jaetaan mesons (jotka ovat bosoneja) ja baryoneja (jotka ovat fermioneja).

• mesons
• Baryonit
• nukleoneja
• Hyperonit: lyhytaikaiset hiukkaset, jotka koostuvat outoista kvarkeista

Molekyylit ovat monimutkaisia ​​rakenteita, jotka koostuvat useista toisiinsa sitoutuneista atomeista. Aineen, atomien kemiallinen perusrakenne koostuu elektronista, protoneista ja neutroneista. Protonit ja neutronit ovat nukleoneja, tyyppi baryonia, jotka yhdessä muodostavat komposiittipartikkelin, joka on atomin ydin. Tutkimus siitä, kuinka atomit sitoutuvat toisiinsa muodostaen erilaisia ​​molekyylirakenteita, on nykyajan perusta kemia.

Voi olla vaikea pitää kaikkia nimiä suorana hiukkasfysiikassa, joten voi olla hyödyllistä ajatella eläinmaailmaa, jossa tällainen jäsennelty nimeäminen saattaa olla tutumpi ja intuitiivisempi. Ihmiset ovat kädellisiä, nisäkkäitä ja myös selkärankaisia. Samoin protonit ovat nukleoneja, baryoneja, hadroneja ja myös fermioneja.

Valitettava ero on, että termit yleensä kuulostavat samanlaisilta toisistaan. Esimerkiksi bosonien ja baryonien sekoittaminen on paljon helpompaa kuin kädellisten ja selkärangattomien sekoittaminen. Ainoa tapa pitää nämä eri hiukkasryhmät erillään on tutkia niitä vain huolellisesti ja yrittää olla varovainen käytetyn nimen suhteen.

Muokannut Tohtori Anne Marie Helmenstine