Elementārdaļiņa
Fizikā elementārā daļiņa jeb fundamentālā daļiņa ir daļiņa, kas nav veidota no citām daļiņām.
Elementārā daļiņa var būt viena no divām grupām: fermions vai bozons. Fermioni ir matērijas pamatelementi, un tiem ir masa, savukārt bozoni darbojas kā fermionu mijiedarbības spēku nesēji, un dažiem no tiem nav masas. Standartmodelis ir vispieņemamākais veids, kā izskaidrot daļiņu uzvedību un to ietekmējošos spēkus. Saskaņā ar šo modeli elementārdaļiņas tiek iedalītas kvarkos, leptonos un gabarītbozonos, un Higsabozonam ir īpašs statuss - tas nav gabarītbozons.
No atomu veidojošajām daļiņām tikai elektrons ir elementārā daļiņa. Protoni un neitroni katrs sastāv no 3 kvarkiem, kas tos padara par saliktām daļiņām - daļiņām, kas sastāv no citām daļiņām. Kvarki ir saistīti kopā ar glioniem. Kodolā ir bozonu pionu lauki, kas atbild par spēcīgo kodola spēku, kas saista protonus un neitronus pret elektrostatisko atgrūšanu starp protoniem. Šādi virtuālie pioni sastāv no kvārku antikvārku pāriem, kurus atkal satur kopā gluoni.
Elementārajai daļiņai ir trīs pamatīpašības: masa", "lādiņš" un "grieziens". Katrai īpašībai ir piešķirta skaitliska vērtība. Masas un lādiņa skaitlis var būt nulle. Piemēram, fotonam ir nulles masa, bet neitrīnam ir nulles lādiņš. Šīs īpašības elementārajai daļiņai vienmēr ir vienādas.
- Mass: Daļiņai ir masa, ja tās ātruma palielināšanai vai paātrināšanai ir nepieciešama enerģija. Tabulā pa labi ir norādīta katras elementārdaļiņas masa. Vērtības norādītas MeV/c2s (tas ir, megaelektronvoltos pār "c" kvadrātā), t. i., enerģijas vienībās pār gaismas ātrumu kvadrātā. Tas izriet no īpašās relativitātes, kas nosaka, ka enerģija ir vienāda ar masu, reizinātu ar gaismas ātruma kvadrātu. Visas daļiņas ar masu rada gravitāciju. Visas daļiņas ietekmē gravitācija, pat daļiņas bez masas, piemēram, fotonu (sk. vispārējo relativitāti).
- Elektriskais lādiņš: Daļiņām var būt pozitīvs vai negatīvs lādiņš, vai arī to var nebūt. Ja vienai daļiņai ir negatīvs lādiņš, bet citai daļiņai ir pozitīvs lādiņš, abas daļiņas viena otru piesaista. Ja abām daļiņām ir negatīvs lādiņš vai abām daļiņām ir pozitīvs lādiņš, abas daļiņas tiek savstarpēji izstumtas. Nelielos attālumos šis spēks ir daudz spēcīgāks par gravitācijas spēku, kas visas daļiņas velk kopā. Elektronam ir lādiņš -1. Protonam ir lādiņš +1. Neitronam ir vidējais lādiņš 0. Parastajiem kvarkiem ir ⅔ vai -⅓ lādiņš.
- Griešanās: daļiņas leņķiskajam momentam jeb nemainīgajam griešanās momentam ir noteikta vērtība, ko sauc par tās griešanās numuru. Elementārdaļiņu spins ir viens jeb ½. Daļiņu spina īpašība apzīmē tikai leņķiskā momenta esamību. Patiesībā daļiņas nespēj griezties.
Masa un lādiņš ir īpašības, ko mēs redzam ikdienā, jo gravitācija un elektrība ietekmē lietas, kuras cilvēki redz un kurām pieskaras. Bet griešanās ietekmē tikai subatomāro daļiņu pasauli, tāpēc to nevar tieši novērot.
Elementāro daļiņu standarta modelis. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.
Fermioni
Fermjoniem (nosauktiem zinātnieka Enriko Fermi vārdā) ir spina skaitlis ½, un tie ir kvarki vai leptoni. Ir 12 dažādi fermionu veidi (neskaitot antimatēriju). Katru veidu sauc par "flavoru". Aromāti ir šādi:
- Kvarki: augšup, lejup, šarms, dīvaini, augšējie, apakšējie. Kvarki ir trīs pāros, ko sauc par "paaudzēm". Pirmā paaudze (augšup un lejup) ir visvieglākā, bet trešā (augšējais un apakšējais) ir vissmagākā. Katra pāra (augšējais, šarmu un augšējais) vienam loceklim ir ⅔ lādiņš. Otram pāra loceklim (uz leju, dīvainajam un apakšējam) ir lādiņš -⅓.
- Leptoni: elektrons, miuons, tau, elektronu neitrīns, miuona neitrīns, tau neitrīns. Neitrīniem ir 0 lādiņš, tāpēc tiem ir prefikss neitr-. Pārējiem leptoniem ir lādiņš -1. Katrs neitrīns ir nosaukts atbilstošā sākotnējā leptona vārdā: elektrons, miuons un tauons.
Tiek uzskatīts, ka seši no 12 fermijoniem ir mūžīgi: augšupējie un lejupējie kvarki, elektrons un trīs veidu neitrīni (kas pastāvīgi maina krāsu). Pārējie fermioni sadalās. Tas nozīmē, ka tie sadalās par citām daļiņām sekundes daļiņā pēc to radīšanas. Fermī-Diraka statistika ir teorija, kas apraksta fermionu kopumu uzvedību. Būtībā vienā un tajā pašā laikā vienā un tajā pašā vietā nevar atrasties vairāk par vienu fermionu.
Bosoni
Bozoniem, kas nosaukti indiešu fiziķa Satjendras Nata Boses vārdā, ir spins 1. Lai gan lielākā daļa bozonu sastāv no vairāk nekā vienas daļiņas, ir divu veidu elementārie bozoni:
- Gauge bozoni: gliuni, W+un W-bozoni, Z0bozoni un fotoni. Šiem bozoniem ir 3 no 4 pamatspēkiem, un to spina skaitlis ir 1;
- Gluons: Gluoni ir daļiņas bez masas un lādiņa, un tie ir stipro spēku mijiedarbības nesēji. Tie kopā ar kvarkiem savienojas kopā, veidojot saliktas daļiņas, ko sauc par hadroniem, tostarp protonus un neitronus.
- W un Z bozoni: W un Z bozoni ir daļiņas, kas pārnēsā vājos spēkus. W bozonam ir matērijas daļiņa (W+) un antimatērijas daļiņa (W-), savukārt Z bozons ir sava antimatērijas daļiņa. W bozons rodas beta sabrukšanas procesā, bet gandrīz nekavējoties pārvēršas par neitrīno un elektronu. W un Z bozoni tika atklāti 1983. gadā.
- Fotons: Fotoni ir daļiņas bez masas un lādiņa, kas ir elektromagnētiskā spēka nesēji. Fotoniem var būt noteikta frekvence, kas nosaka, kāds elektromagnētiskais starojums tie ir. Tāpat kā visas pārējās bezmasas daļiņas tie pārvietojas ar gaismas ātrumu (300 000 km/s).
- Higsa bozons: Fiziķi uzskata, ka masīvajām daļiņām ir masa (tas ir, tās nav tīri enerģijas kūļi kā fotoni) Higsa bozona mijiedarbības dēļ.
Fotonam un glioniem nav lādiņa, un tās ir vienīgās elementārdaļiņas, kuru masa ir viennozīmīgi 0. Fotons ir vienīgais bozons, kas nesadalās. Bosa-Einšteina statistika ir teorija, kas apraksta bozonu kopumu uzvedību. Atšķirībā no fermijoniem vienā telpā vienlaicīgi var atrasties vairāk nekā viens bozons.
Standartmodelis ietver visas iepriekš aprakstītās elementārdaļiņas. Visas šīs daļiņas ir novērotas laboratorijā.
Standartmodelis nerunā par gravitāciju. Ja gravitācija darbojas tāpat kā pārējie trīs fundamentālie spēki, tad gravitācijas nesējs ir hipotētisks bozons, ko sauc par gravitonu. Gravitons vēl nav atrasts, tāpēc tas nav iekļauts iepriekš minētajā tabulā.
Pirmais atklātais fermions, par kuru mēs zinām visvairāk, ir elektrons. Pirmais atklātais bozons, par kuru mēs zinām visvairāk, ir fotons. Teoriju, kas visprecīzāk izskaidro, kā elektrons, fotons, elektromagnētisms un elektromagnētiskais starojums darbojas kopā, sauc par kvantu elektrodinamiku.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir elementārās daļiņas?
A: Elementārās daļiņas ir daļiņas, kas nav veidotas no citām daļiņām.
J: Pie cik grupām pieder elementārdaļiņas?
A: Elementārdaļiņas var būt vienā no divām grupām - fermioni vai bozoni.
J: Kas ir standarta modelis?
A: Standartmodelis ir vispieņemamākais veids, kā izskaidrot daļiņu uzvedību un spēkus, kas tās ietekmē.
J: Kā elementārdaļiņas sagrupētas saskaņā ar standarta modeli?
A: Saskaņā ar Standartmodeli elementārās daļiņas tiek iedalītas kvarkos, leptonos un gabarītbozonos, bet Higsa bozonam ir īpašs statuss - tas nav gabarītbozons.
Vai protoni un neitroni tiek uzskatīti par elementārdaļiņām?
A: Nē, protoni un neitroni netiek uzskatīti par elementārdaļiņām, jo tie sastāv no 3 kvarkiem, kas tos padara par saliktām daļiņām - tas nozīmē, ka tie sastāv no citām mazākām daļiņām.
J: Kādas īpašības raksturo elementārdaļiņu?
A: Elementārdaļiņas raksturo trīs pamatīpašības - masa, lādiņš un grieziens, un katrai īpašībai ir piešķirta skaitliska vērtība.
Vai gravitācija ietekmē visu veidu daļiņas, pat tās, kurām nav masas, piemēram, fotonus?
A: Jā, pateicoties vispārējai relativitātei, gravitāciju izjūt visu veidu daļiņas, arī tās, kurām nav masas, piemēram, fotoni.
