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.