Elementaarosakesed
Füüsikas on elementaarosakese või fundamentaalosakese all mõistetakse osakest, mis ei koosne teistest osakestest.
Elementaarosakestel võib olla üks kahest rühmast: fermion või boson. Fermionid on aine ehituskivid ja neil on mass, bosonid aga toimivad fermionide vastastikmõjude jõukandjatena ja mõned neist ei oma massi. Standardmudel on kõige enam aktsepteeritud viis seletamaks osakeste käitumist ja neid mõjutavaid jõude. Selle mudeli kohaselt jagunevad elementaarosakesed kvarkideks, leptoniteks ja mõõtmisbosoonideks, kusjuures Higgsibosonil on eristaatus kui mittemõõtmisbosonil.
Aatomi moodustavatest osakestest on elementaarosakesteks ainult elektron. Prootonid ja neutronid koosnevad kumbki kolmest kvarkist, mis teeb neist komposiitosakesi, st osakesi, mis koosnevad teistest osakestest. Kvarke seovad omavahel gluoonid. Tuumas on bosoonide piooniväljad, mis vastutavad tugeva tuumajõu eest, mis seob prootonid ja neutronid prootonite vahelise elektrostaatilise tõrjumise vastu. Sellised virtuaalsed pioonid koosnevad kvarkide ja antikvarkide paaridest, mida jällegi hoiavad koos gluoonid.
Elementaarosakest kirjeldavad kolm põhiomadust: "mass", "laeng" ja "spinn". Igale omadusele on määratud arvväärtus. Massi ja laengu puhul võib number olla null. Näiteks fotonil on nullmass ja neutriinol on nulllaeng. Need omadused jäävad elementaarosakeste puhul alati samaks.
- Mass: Kui osakese kiiruse suurendamiseks või kiirendamiseks on vaja energiat, siis on osakestel mass. Paremal asuvas tabelis on esitatud iga elementaarosakese mass. Väärtused on esitatud ühikutes MeV/c2s (see tähendab megaelektronvolti üle "c" ruutu), st energiaühikutes üle valguse kiiruse ruutu. See tuleneb erirelatiivsusteooriast, mis ütleb meile, et energia on võrdne massi ja valguse kiiruse ruudu korrutisega. Kõik osakesed, millel on mass, tekitavad gravitatsiooni. Gravitatsioon mõjutab kõiki osakesi, isegi osakesi, millel ei ole massi, nagu foton (vt üldrelatiivsusteooria).
- Elektriline laeng: Osakesed võivad olla positiivse või negatiivse laenguga või üldse mitte. Kui ühel osakestel on negatiivne laeng ja teisel osakestel positiivne laeng, siis tõmbavad need kaks osakest teineteist ligi. Kui mõlemal osakestel on negatiivne laeng või mõlemal on positiivne laeng, tõukuvad need kaks osakest üksteisest eemale. Lühikese vahemaa puhul on see jõud palju tugevam kui raskusjõud, mis tõmbab kõiki osakesi kokku. Elektronil on laeng -1. Prootonil on laeng +1. Neutronil on keskmine laeng 0. Tavalistel kvarkidel on laeng ⅔ või -⅓.
- Spinn: osakese nurkkiirusel või pideval pöörlemisel on kindel väärtus, mida nimetatakse spinniarvuks. Spin elementaarosakeste puhul on üks ehk ½. Osakeste spinni omadus tähistab ainult nurgamomendi olemasolu. Tegelikkuses ei ole osakestel spinni.
Mass ja laeng on omadused, mida me näeme igapäevaelus, sest gravitatsioon ja elekter mõjutavad asju, mida inimesed näevad ja puudutavad. Kuid spinn mõjutab ainult subatomaarsete osakeste maailma, nii et seda ei saa otseselt vaadelda.
Elementaarosakeste standardmudel. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.
Fermionid
Fermioonidel (mis on nime saanud teadlase Enrico Fermi järgi) on spinniarv ½ ja nad on kas kvarkid või leptonid. Fermioone on 12 erinevat tüüpi (ilma antiaineta). Iga tüüpi nimetatakse "maitseks". Need on järgmised:
- Kvargid: üles, alla, võlu, kummaline, ülalt, alt. Kvarke on kolme paarina, mida nimetatakse "põlvkondadeks". Esimene põlvkond (üles ja alla) on kõige kergem ja kolmas (ülalt ja alt) on kõige raskem. Iga paari (up, charm ja top) ühel liikmel on laeng ⅔. Teisel liikmel (allapoole, kummaline ja alumine) on laeng -⅓.
- Leptonid: elektron, müon, tau, elektron neutriino, müon neutriino, tau neutriino. Neutriinodel on laeng 0, sellest ka neutr- eesliide. Teistel leptonitel on laeng -1. Iga neutriino on nimetatud vastava algse leptonite järgi: elektron, müon ja taoon.
Arvatakse, et 12 fermionist kuus kestavad igavesti: üles- ja allapoole suunatud kvarkid, elektron ja kolm liiki neutriinod (mis vahetavad pidevalt oma maitset). Ülejäänud fermionid lagunevad. See tähendab, et nad lagunevad teisteks osakesteks sekundi murdosa pärast nende tekkimist. Fermi-Diraci statistika on teooria, mis kirjeldab fermioonide kogumite käitumist. Põhimõtteliselt ei saa korraga samas kohas olla rohkem kui üks fermion.
Bosonid
Bosonid, mis on nimetatud India füüsiku Satyendra Nath Bose järgi, on spinniga 1. Kuigi enamik bosoneid koosneb rohkem kui ühest osakesest, on olemas kahte liiki elementaarseid bosoneid:
- Mõõtmisbosonid: gluoonid, W+ja W-bosonid, Z0bosonid ja footonid. Need bosonid kannavad 4 põhijõududest 3 ja nende spinni number on 1;
- Glüoon: Gluoonid on massita ja laenguta osakesed, mis on tugeva jõu interaktsiooni kandjad. Koos kvarkidega liituvad nad kokku liitosakesteks, mida nimetatakse hadroniteks, mille hulka kuuluvad prootonid ja neutronid.
- W- ja Z-bosonid: W- ja Z-bosonid on nõrkade jõudude kandjad. W-bosonil on aineosake (W+) ja antiaineosake (W-), samas kui Z-boson on oma antiaineosake. W-boson tekib beetahajaotuses, kuid muutub peaaegu kohe neutriinoks ja elektroniks. W- ja Z-bosonid avastati mõlemad 1983. aastal.
- Foton: Fotoonid on massita ja laenguta osakesed, mis kannavad elektromagnetilist jõudu. Fotoonidel võib olla teatud sagedus, mis määrab, millise elektromagnetilise kiirgusega nad on. Nagu kõik teisedki massita osakesed, liiguvad nad valguse kiirusega (300 000 km/s).
- Higgsi boson: Füüsikud usuvad, et massiivsed osakesed omavad massi (st nad ei ole puhtad energiakimbud nagu fotoonid) Higgsi vastastikmõju tõttu.
Fotonil ja glüoonidel ei ole laengut ja nad on ainsad elementaarosakesed, mille mass on kindlasti 0. Foton on ainus boson, mis ei lagune. Bose-Einsteini statistika on teooria, mis kirjeldab bosoonide kogumite käitumist. Erinevalt fermioonidest on võimalik, et samas ruumis on korraga rohkem kui üks boson.
Standardmudel sisaldab kõiki eespool kirjeldatud elementaarosakesi. Kõiki neid osakesi on laboris täheldatud.
Standardmudel ei räägi gravitatsioonist. Kui gravitatsioon toimib nagu kolm muud fundamentaalset jõudu, siis kannab gravitatsiooni hüpoteetiline boson, mida nimetatakse gravitooniks. Gravitooni ei ole veel leitud, seega ei ole see ülaltoodud tabelis esitatud.
Esimene avastatud fermion, millest me teame kõige rohkem, on elektron. Esimene boson, mis avastati ja millest me teame kõige rohkem, on footon. Teooriat, mis seletab kõige täpsemalt, kuidas elektron, footon, elektromagnetism ja elektromagnetiline kiirgus koos toimivad, nimetatakse kvantelektrodünaamikaks.
Küsimused ja vastused
K: Mis on elementaarosakesed?
V: Elementaarosakesed on osakesed, mis ei koosne teistest osakestest.
K: Mitmesse rühma kuuluvad elementaarosakesed?
V: Elementaarosakesed võivad kuuluda ühte kahest rühmast, fermioonidesse või bosoonidesse.
K: Mis on standardmudel?
V: Standardmudel on kõige aktsepteeritum viis seletamaks osakeste käitumist ja neid mõjutavaid jõude.
K: Kuidas on elementaarosakesed Standardmudeli järgi rühmitatud?
V: Standardmudeli kohaselt rühmitatakse elementaarosakesed kvarkideks, leptoniteks ja mõõtmisbosoonideks, kusjuures Higgsi bosonil on eristaatus kui mittemõõtmisbosonil.
K: Kas prootonid ja neutronid loetakse elementaarosakesteks?
V: Ei, prootonid ja neutronid ei ole elementaarosakesed, sest nad koosnevad kumbki kolmest kvarkist, mis teeb neist liitosakesed - see tähendab, et nad koosnevad teistest väiksematest osakestest.
K: Millised omadused kirjeldavad elementaarosakest?
V: Elementaarosakest kirjeldavad kolm põhiomadust - mass, laeng ja spinn - igale omadusele on määratud arvväärtus.
K: Kas gravitatsioon mõjutab kõiki osakeste tüüpe, isegi neid, millel puudub mass, nagu näiteks footonid?
V: Jah, üldise relatiivsusteooria tõttu tunnetavad gravitatsiooni kõik osakeste tüübid, ka need, millel puudub mass, nagu fotoonid.
