Elementaarosakesed: kvargid, leptonid, bosonid ja Standardmudel

Avasta elementaarosakesed: kvargid, leptonid, bosonid ja Standardmudel — selged selgitused massist, laengust, spinnist ning nendevahelistest jõududest ja rollist aines.

Füüsikas nimetatakse elementaarosakeseks või fundamentaalosakeseks sellist osakest, mis ei koosne teistest osakestest. Need osakesed on aine ja jõudude kõige põhilisemad ehitusplokid ning neid kirjeldatakse kvantmehaanika ja relatiivsusteooria abil.

Elementaarosakesed jagunevad kahte põhigruppi: fermionid ja bosonid. Fermionid moodustavad aine („tavakosmilise” aine) põhikomponendid: neil on pooltäisarvuline spin (näiteks ½) ja nad järgivad Paul’i väljade keelu. Bosonid kannavad vastastikmõjusid — need on jõukandjad — ning neil on täisarvuline spin (0, 1 jne). Standardmudel on tänapäeval enimkasutatav teoreetiline raamistiku osa, mis kirjeldab elementaarosakesi ja kolme fundamentaalset elementaarvähest jõudu (elektromagnetiline, nõrk ja tugev vastasmõju). Selle järgi kuuluvad elementaarosakesed peamiselt kvarkideks, leptoniteks ja mõõtmisbosoonideks; Higgsibosonil on eriline roll, kuna selle seos Higgs'i välja kaudu annab teistele osakestele massi.

Kvargid, leptonid ja komposiitosakesed

Aatomi põhiosakestest on elementaarne ainult elektron. Prootonid ja neutronid on kvarkidest koosnevad komposiitosakesed — igas neist on kolm kvarki, mida seovad gluoonid. Kvargid esinevad kuues maitses (up, down, charm, strange, top, bottom) ja kannavad ka „värvi” laengut, mis on tugeva vastasmõju analoog elektrivälja laengule. Gluoonid vahendavad tugevat vastasmõju ja on endalgi värvilaenguga (on kahevärvilised kombinatsioonid), mis tekitab kvarkide seotuse ehk konfinemendi.

Tuumas ei seedi tugev tuumajõud (nn residuaalne tugev jõud) otseselt gluoonide vahendusel piiramatus ulatuses, vaid see jõud ilmneb kaudselt läbi nii-öelda piooniväljade — pioonid on kvark–antikvark paaridest koosnevad mesonid, mis kannavad tuuma piires verevahetust ja aitavad ületada prootonite elektrostaatilist tõrjet. Need pioonid on komposiitpartiklid, mitte elementaarsed.

Bosonid ja jõudude vahendajad

Peamised mõõtmisbosonid Standardmudelis on:

• fotoni (elektromagnetiline vastasmõju),
• W± ja Z0 bosonid (nõrk vastasmõju, vastutavad beetahävimise ja muude nõrkade protsesside eest),
• gluoonid (tugeva vastasmõju vahendajad, hoiavad kvarke koos),
• Higgsiboson (skalaarkvantar, seotud massi teket põhjustava mehhanismiga).

Gravitatsiooni kandjat — gravitonit — Standardmudel ei sisalda; gravitatsiooni kvantmehhaaniline kirjeldus on jätkuvalt avatud uurimisteema.

Standardmudeli täiendused ja eksperimentaalne tugi

Standardmudel on väga edukas selles, kuidas see kirjeldab paljusid eksperimentaalselt mõõdetud protsesse. Mitmed osakesed ja protsessid on kinnitatud suurte kiirendite abil, näiteks LHC eksperimendid, kus leiti Higgsiboson 2012. aastal. Siiski Standardmudel ei selgita kõike: see ei sisalda gravitatsiooni, ei selgita tumeaine ega tumeenergia olemust ning ei anna täielikku seletust neutrino masside ja nende osakondumise (osillatsiooni) kohta. Seetõttu otsivad füüsikud laiendusi ja uusi teooriaid.

Elementaarosakeste omadused: mass, laeng ja spinn

• Mass: Mass on osakese inertsuse ja energia mõõt. Kui osakese kiirendamiseks on vaja energiat, siis osakesel on mass. Osakeste massid väljendatakse tavaliselt energiaühikutes, sagedasti MeV/c2 või GeV/c2 (näiteks megaelektronvolt üle “c” ruudu), kus c on valguse kiirus. See valik tuleneb erirelatiivsusteooriast: energia ja mass on seotud E = mc² seosega. Kõik massiga osakesed tekitavad gravitatsioonivälja; gravitatsioon mõjutab ka massita osakesi nagu foton läbi ruumi-aja kõveruse (vt üldrelatiivsusteooria). Mass võib Standardmudelis tekkida Higgs’i väljast või olla efektiivne mass, mis tekib konfinemendi ja sidemete tõttu (näiteks nukleonite mass tuleb suuresti kvarkide ja gluoonide kineetilisest ja potentsiaalsest energiast).
• Elektriline laeng: Osakestel võib olla positiivne, negatiivne või null laeng. Vastasmõju laengute vahel on elektromagnetiline: vastasmärgilised laengud tõmbuvad, sama märgiga laengud tõukuvad. Elektrivägi on lühikeste vahemaade puhul tavaliselt palju tugevam kui gravitatsioon. Näiteks elektronil on elementaarne laeng -1 (sõltuvalt ühikust), prootonil on kogulaeng +1 ja neutronil on keskmine laeng 0. Kvarkide laengud on murdosadega, tavaliselt +2/3 või −1/3 (ühikutes elemetrilaengu kohta).
• Spinn: Spinn on elementaarosakeste sisemine nurkimpulss (intrinsic angular momentum) — kvantseisundite omadus, mille väärtus on kas täisarvuline (bosonitel) või pooltäisarvuline (fermionitel, näiteks 1/2). Spinn ei tähenda osakese füüsilist pöörlemist klassikalises mõttes; tegemist on kvantmehaanilise suurusega, millel on konkreetne mõju osakeste statistikale ja lubatud olekutele. Spinn määrab ka, kuidas osake käitub pöörlemise suhtes (rotatsioonis) ja milliseid vahetusreegleid see järgib.

Massi ja laengu puhul võib suurus olla null (näiteks fotoni mass on väga lähedane nullile ja Standardmudeli eeskujude kohaselt täpselt null; neutriinol on elektrilaeng ligikaudu null, kuid neutrino mass on väga väike ja eksperimentaalselt mõõdetud mitte nullina — see näitab, et mõned algsed lihtsustatud väited vajavad täpsustamist). Need omadused on osakeste püsivad kvantnumbrid, mida saab mõõta ja kasutada teooriate testimiseks.

Spinn mõjutab peamiselt subatomaarsete osakeste käitumist — sellest tulenevad statistilised ja sümbiootilised efektid (Fermi–Diraci statistika fermionide puhul ja Bose–Einsteini statistika bosonite puhul). Kuigi me ei näe spinni otse igapäevaelus nagu kellaosuti pöörlemist, avalduvad selle tagajärjed paljudes füüsikalistes nähtustes: elektronide korrapärane paigutus aatomites, magnetilised omadused ja osakeste koostisosade lubatud energiatase.

Kokkuvõttes annab Standardmudel tugeva ja täpselt testitud raamistikku elementaarosakeste ja kolme fundamentaalse vastasmõju kirjeldamiseks, kuid füüsika ees seisavad endiselt suured küsimused (gravitatsioon, tumeaine, tumeenergia ja täielik selgitus neutrino omadustele), mis kutsuvad edasi uurima uut teooriat ja eksperimentaalseid leiukohti.

Küsimused ja vastused

K: Mis on elementaarosakesed?

K: Mitmesse rühma kuuluvad elementaarosakesed?

K: Mis on standardmudel?

K: Kuidas on elementaarosakesed Standardmudeli järgi rühmitatud?

K: Kas prootonid ja neutronid loetakse elementaarosakesteks?

K: Millised omadused kirjeldavad elementaarosakest?

K: Kas gravitatsioon mõjutab kõiki osakeste tüüpe, isegi neid, millel puudub mass, nagu näiteks footonid?

Otsing