Elementārdaļiņa — definīcija, kvarki, fermioni, bozoni, Standartmodelis
Fizikā elementārā daļiņa jeb fundamentālā daļiņa ir daļiņa, kas nav sastāv no mazākām daļiņām — kvantu laukuma lokāla uzbudinājuma kvants. To uzvedību apraksta kvantu lauku teorija: katrai fundamentālajai daļiņai atbilst sava lauka, un daļiņas mijiedarbības rodas caur šo lauku savstarpēju ietekmi.
Klasifikācija un Standartmodelis
Elementārdaļiņas iedala divās pamatgrupās: fermions un bozons. Fermioni ir matērijas pamatbūvji — tie veido atomi un to kodolus — un tiem piemīt pamatīpašība, kas saucas Pauli aizlieguma princips, kas neļauj divām identiskām fermionu kvantstāvokļiem okupēt vienu un to pašu kvantu stāvokli. Bozoni parasti darbojas kā fermionu mijiedarbību nesēji (piemēram, elektromagnētiskā mijiedarbība, vāja un stiprā mijiedarbība); daļa bozoni var būt bez masas (piemēram, fotons), citiem ir nenulles masa.
Standartmodelis ir pašreiz visplašāk pieņemtais teorētiskais ietvars, kas sīki apraksta elementārdaļiņu ģimeni un trīs fundamentālās mijiedarbības: elektromagnētisko, vāju un stipro mijiedarbību. Saskaņā ar Standartmodeli elementārdaļiņas iedala kvarkos, leptonos un gabarītbozonos. Higsabozonam ir īpašs statuss — tas ir skalārs bozonis (spin 0) un ir saistīts ar masu radīšanas mehānismu Standartmodelī.
Kvarki, gluoni un kodols
No atomu sastāvdaļām tikai elektrons ir elementārdaļiņa. Protoni un neitroni katrs sastāv no trim kvarkiem, tāpēc tie ir saliktas daļiņas. Kvarki pieder fermionu šķirai un nes “krāsu” lādiņu, ko starp tiem pārnēsā bezmasas gluoni — stiprās mijiedarbības nesēji. Krāsas lādiņa rezultātā darbojas kvarku saistības jeb konfinements: kvarki nekad neparādās brīvi lielos attālumos, bet tikai saliktās daļiņās (hadronos).
Kodolā spēcīgā kodola mijiedarbība, kas saista protonus un neitronus, var būt viegli aprakstīta arī kā mesonu (piemēram, pionu) apmaiņas procesi. Šie pionu lauki kodolā bieži tiek attēloti kā virtuālu mezonu apmaiņa starp nukleoniem; virtuālie pioni ir kvarku–antikvarku pāru kvantu sākotnējās svārstības, ko starpā saista gluoni.
Pamatīpašības
Elementārdaļiņām ir vairākas fundamentālas īpašības, no kurām visbiežāk min trīs:
- Mass: daļiņai piemīt masa, ja tās paātrināšanai nepieciešama papildu enerģija. Daļiņu masas parasti izsaka enerģijas vienībās — MeV/c2 (megaelektronvoltos dalītu ar gaismas ātruma kvadrātu), kas izriet no īpašās relativitātes. Relativitāte saista masu un enerģiju ar sakarību E = mc2, kur gaismas ātrums c parādās kvadrātā. Visas daļiņas ar masu rada gravitāciju; arī bezmasas daļiņas, piemēram, fotoni, ietekmē gravitatīvais lauks caur enerģiju un impulsu (sk. vispārējo relativitāti).
- Elektriskais lādiņš: daļiņām var būt pozitīvs vai negatīvs elektromagnētiskais lādiņš, vai lādiņš var būt nulle. Pretēji lādētas daļiņas piesaista viena otru, savādāk lādētas daļiņas atgrūžas. Elektromagnētiskais spēks parasti ir daudz stiprāks par gravitāciju īsos attālumos. Piemēri: Elektronam ir lādiņš −1, protonam +1, neitronam vidējais lādiņš ir 0. Parastie kvarki nes daļēju lādiņu +2/3 vai −1/3.
- Griešanās (spin): spina kvantu skaitlis nosaka daļiņas leņķisko momentu kvantizāciju. Spin var būt vesels (0, 1, 2, ...) vai pusvesels (1/2, 3/2, ...). Fermioni parasti ir pusveseli (piemēram, elektrons ir spin 1/2), bet bozoni — veseli (piemēram, fotons un gluons parasti ir spin 1; Higsabozons ir spin 0). Spinnera jēdziens nenozīmē, ka daļiņas burtiski griežas kā makroskopisks ķermenis — tas ir kvantu īpašums, kas ietekmē simetrijas, apmaiņu un magnētiskās īpašības. Skatīt arī leņķiskā momenta jēdzienu: leņķiskajam momentam.
Masa un lādiņš ir īpašības, ko mēs redzam ikdienā, jo gravitācija un elektrostatiskie spēki ietekmē makroskopiskos objektus. Savukārt spin un citas kvantu īpašības izpaužas subatomārajā pasaulē un parasti to var konstatēt tikai caur precīziem eksperimentiem un novērojumiem.
Antidaļiņas, mijiedarbības un novērošana
Katrai elementārdaļiņai atbilst arī antidaļiņa ar pretēju lādiņu (ja lādiņš nav nulle). Daļiņu mijiedarbības ievēro dažus saglabāšanas likumus (enerģija, impulss, elektriskais lādiņš, daži kvantu skaitļi), un tās var radīt jaunas daļiņas vai iznīcināt esošās (radīšana un anihilācija). Elementārdaļiņas atklāj ar augstas enerģijas sadursmēm lielos paātrinātājos un speciāliem detektoriem, kā arī ar novērojumiem dabiskos procesus, piemēram, kosmiskos starus vai radioaktīvos sabrukumus.
Standarta modeļa robežas un neatbildēti jautājumi ietver: neelastīgā matērija (tumšā matērija), neutrīnu masu avots un astrofizikas procesu pilnīga apraksta, gravitācijas kvanta (gravitona) eksistence un saskaņošana ar kvantu teorijām. Eksperimentālā daļiņu fizika turpina meklēt šos paplašinājumus, izmantojot gan paātrinātājus, gan astrofizikas novērojumus.
Elementārdaļiņu teorijas un to eksperimentālais pierādījums ir cieši saistīti ar mūsdienu tehnoloģiju — no medicīnas attēlvedības līdz kodolenerģētikai un informācijas tehnoloģiju progresam — jo izpratne par visusvarenajām mijiedarbībām ļauj radīt jaunas metodes un ierīces.
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.
