Spis treści. Cząstki elementarne Z Wikipedii. Skocz do: nawigacji, szukaj leptony. kwarki u c t d s b. ν e ν µ ν τ

Transkrypt

1 Cząstki elementarne Z Wikipedii Skocz do: nawigacji, szukaj leptony e µ τ ν e ν µ ν τ kwarki u c t d s b nośniki oddziaływań γ Z 0 W ± gluon g hadrony mezony π K J/ψ Υ B D bozony bariony p n Λ Σ Ξ Ω fermiony Cząstka elementarna w fizyce, cząstka, będąca podstawowym budulcem, czyli najmniejszym i nieposiadającym wewnętrznej struktury. Niemniej pojęcie to ze względów historycznych ma trochę inne znaczenie. Schemat - Podział Cząstek Elementarnych Badaniem tych cząstek zajmuje się fizyka cząstek elementarnych. Spis treści [ukryj] 1 Historia 2 Próby zmiany definicji 3 Cząstki elementarne w strukturze materii 4 Cząstki elementarne Modelu Standardowego o 4.1 Fermiony o 4.2 Bozony 5 Nowe teorie 6 Zobacz teŝ 1

2 Historia [edytuj] Pojęcie cząstki elementarne wprowadzono w latach i oznaczało ono elektron, proton, neutron i kwant gamma (foton). W tamtych czasach uznawano, Ŝe cała materia zbudowana jest z tych cząstek. W latach późniejszych odkryto miony, mezony, kwarki i wiele innych cząstek oraz ich antycząstki, wszystkie je teŝ uznano za elementarne; obecnie znanych jest ponad 200 takich cząstek. Próby zmiany definicji [edytuj] Wśród fizyków nie ma obecnie jednomyślności w uznaniu definicji cząstki elementarnej, choć przewaŝa pogląd: Cząstkami elementarnymi są te wszystkie cząstki które są niezbędne do wyjaśnienia własności wszystkich form materii, i tylko te których nie moŝna wyjaśnić przez inne cząstki. Z definicji tej wynika, Ŝe są one jednocześnie podstawowym budulcem materii i nie posiadają wewnętrznej struktury. Tak zwana hipoteza demokracji cząstek zakłada, Ŝe wszystkie cząstki są sobie nawzajem potrzebne i nawzajem tłumaczą się teoretycznie. W myśl tego poglądu oraz ze względów historycznych terminu cząstki elementarne uŝywa się czasem takŝe w odniesieniu do hadronów (czyli do kilkuset cząstek jak proton, czy neutron, nie będących w istocie cząstkami elementarnymi). Terminu tego uŝywa się jednak tylko w kontekście, w którym nie powoduje on niejednoznaczności, co do znaczenia w jakim się go uŝywa. Niejednoznaczności w definicji spowodowało wprowadzenie pojęcia cząstki fundamentalne określające cząstki elementarne w myśl pierwszej definicji. Ścisła definicja cząstek elementarnych (w znaczeniu fundamentalnych) oznacza, Ŝe w miarę postępu badań pewne cząstki mogą przestać być elementarne. Cząstki elementarne w strukturze materii [edytuj] Z cząstek elementarnych zbudowane są wszystkie inne cząstki. Na przykład atomy zbudowane są z mniejszych cząstek takich jak elektrony, protony i neutrony. Protony i neutrony są równieŝ cząstkami złoŝonymi z innych, bardziej podstawowych cząstek kwarków. NajwaŜniejszym problemem w fizyce cząstek jest znalezienie czegoś, co moŝna uznać za cząstki fundamentalne, z których, jak z budulca, złoŝone byłyby wszystkie inne cząstki "elementarne", a które same nie byłyby juŝ złoŝone z niczego innego. 2

3 Cząstki elementarne Modelu Standardowego [edytuj] Model Standardowy wprowadza 12 cząstek "materii", z których zbudowana jest materia zwanych fermionami i 12 cząstek odpowiedzialnych za przenoszenie oddziaływań między innymi cząstkami zwanych bozonami ("cząstek promieniowania"). Fermiony [edytuj] Dwanaście rodzajów fermionów podzielonych jest na trzy rodziny, po cztery cząstki w kaŝdej. Sześć z nich to kwarki, pozostałe sześć to leptony. Trzy z leptonów są neutrinami (obojętnymi elektrycznie), dalsze trzy mają ładunek elektryczny -1: elektron, mion i taon. rodzina I rodzina II rodzina III elektron (e) neutrino elektronowe (ν e ) mion (µ) neutrino mionowe (ν µ ) taon (τ) neutrino taonowe (ν τ ) ładunek elektryczny -1 0 leptony kwark górny (u) kwark dolny (d) kwark powabny (c) kwark dziwny (s) kwark szczytowy (t) kwark spodni (b) +2/3-1/3 kwarki Oprócz tego naleŝy uwzględnić dwanaście rodzajów antycząstek do wymienionych tu fermionów. Antycząstką elektronu jest pozyton (e + ) o ładunku +1, dodatni mion µ + jest antycząstką mionu, zaś dodatni taon τ + antycząstką taonu. Antykwarkami są: antykwark górny, antykwark dolny, antykwark powabny, antykwark dziwny, antykwark wysoki i antykwark niski. Antyneutrina to antyneutrino elektronowe, antyneutrino mionowe i antyneutrino taonowe. Jak dotąd nigdy nie zaobserwowano kwarków i antykwarków w stanie wolnym, tzn. niepołączonych w inne cząstki. Kwark moŝe łączyć się z antykwarkiem, tworząc mezon: kwarki charakteryzują się "kolorem" odpowiedni antykwark obdarzony jest wówczas "antykolorem". Kolor i antykolor znoszą się wzajemnie, dając w wyniku kolor biały, co oznacza kolor obojętny (być moŝe trudno w to uwierzyć, ale taka jest terminologia). Kwarki mogą teŝ łączyć się z innymi kwarkami w grupy po trzy, tworząc bariony: kwark "czerwony" łączy się z "zielonym" i "niebieskim". Ich kolory znów znoszą się dając kolor biały, czyli znów brak ładunku koloru. Trzy antykwarki, "antyczerwony", "antyzielony" i "antyniebieski" w połączeniu dają antybarion o kolorze "antybiałym", co oznacza, Ŝe antybarion równieŝ nie przejawia ładunku koloru. Kolor i antykolor są jedynie cechami kwarków i antykwarków i nie mogą istnieć oddzielnie od nich. Same kwarki mogą przenosić ładunek elektryczny, który jest ułamkową częścią ładunku elementarnego, ale jak dotąd w przyrodzie nie został on zaobserwowany Model Standardowy przewiduje, Ŝe kwarki łączą się w taki sposób, Ŝe wypadkowy ładunek powstałej cząstki jest całkowitą krotnością ładunku elementarnego. Ładunek przenoszony 3

4 przez kwarki moŝe być równy +2/3 lub -1/3 ładunku elementarnego, antykwarki przenoszą wówczas ładunek -2/3 lub +1/3. Bozony [edytuj] Z 12 rodzajów bozonów 8 to tak zwane gluony. Są to obojętne cząstki o masie spoczynkowej zero, obdarzone jednocześnie ""kolorem" i "antykolorem". Gluony są podobne do mezonów, jednak są kolejnym rodzajem cząstek fundamentalnych nie są zbudowane z kwarków, ani nie są kwarkami. W przypadku gluonów kolor i antykolor nie znoszą się wzajemnie: istnieją gluony niosące kolor "czerwony"/"antyzielony", co w przypadku mezonów nie jest moŝliwe. Gluony są odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań silnych. Z pozostałych bozonów fundamentalnych trzy: wuony (W +, W - ) i zeton (Z 0 ), są odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań słabych. Ostatnim bozonem fundamentalnym jest foton, który pośredniczy w przenoszeniu oddziaływań elektromagnetycznych. Bozonami, czyli cząstkami o spinie całkowitym, są równieŝ mezony. Jako złoŝone z kwarków nie są jednak bozonami fundamentalnymi. Nowe teorie [edytuj] Obecnie zaczyna panować przekonanie, Ŝe Model Standardowy jest teorią tymczasową i trwają intensywne prace nad znalezieniem teorii bardziej podstawowej być moŝe cząstki uwaŝane za "elementarne" przez Model Standardowy, w nowej teorii okaŝą się cząstkami złoŝonymi; fizycy mają teŝ nadzieję, Ŝe będzie ona zawierała cząstki nieujęte w Modelu Standardowym. Chodzi tu przede wszystkim o hipotetyczne grawitony, które miałyby być odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań grawitacyjnych. Ogólna teoria miałaby łączyć wreszcie wszystkie cztery typy podstawowych oddziaływań w przyrodzie. Według teorii superstrun, kaŝda cząstka fundamentalna jest przejawem innego rodzaju drgań superstruny (struny drgają bezustannie w sposób podobny jak fale stojące: cząstki miałyby być obrazem drgań analogicznie jak orbitale atomowe w modelu atomu Bohra są węzłami fali stojącej według teorii fal materii). Wszystkie struny są takie same, róŝne są jedynie sposoby ich wibracji. Masywniejsze cząstki odpowiadają drganiom strun o większej energii. W teorii superstrun jednakŝe cząstki nie zawierają strun one są strunami. Istnieje teŝ grupa modeli zwanych supersymetrycznymi. Przewiduje ona, Ŝe kaŝda ze znanych cząstek ma swego, nieodkrytego jeszcze, supersymetrycznego partnera, zwanego s- cząstką. S-cząstki mają większą masę niŝ "zwykłe" cząstki: rozwaŝania teroetyczne sugerują, Ŝe masa ich moŝe leŝeć w obszarze kilkset GeV do 1 TeV, czyli nieco poza zasięgiem istniejących akceleratorów. Istnieje więc nadzieja, Ŝe w roku 2008, po uruchomieniu akceleratora LHC powinno udać się potwierdzić istnienie s-cząstek. PoniewaŜ teoria superstrun implikuje istnienie supersymetrii, byłby więc to równieŝ pośrednio argument za jej prawdziwością. Zobacz teŝ [edytuj] pojęcie cząstki w fizyce przegląd zagadnień z zakresu fizyki 4

5 Źródło: " Kategoria: Cząstki elementarne Tę stronę ostatnio zmodyfikowano 16:52, 3 maj Tekst udostępniany na licencji GNU Free Documentation License. (patrz: Prawa autorskie) Wikipedia jest zarejestrowanym znakiem towarowym Wikimedia Foundation. MoŜesz przekazać dary pienięŝne Fundacji Wikimedia. Zasady ochrony prywatności O Wikipedii Informacje prawne Elementary particle From Wikipedia, the free encyclopedia Jump to: navigation, search For the novel, see The Elementary Particles. Learn more about using Wikipedia for research In particle physics, an elementary particle or fundamental particle is a particle not known to have substructure; that is, it is not known to be made up of smaller particles. If an elementary particle truly has no substructure, then it is one of the basic building blocks of the universe from which all other particles are made. In the Standard Model, the quarks, leptons, and gauge bosons are elementary particles. [1][2] Historically, the hadrons (mesons and baryons such as the proton and neutron) and even whole atoms were once regarded as elementary particles. A central feature in elementary particle theory is the early 20th century idea of "quanta", which revolutionised the understanding of electromagnetic radiation and brought about quantum mechanics. Contents [hide] 1 Overview 2 Standard Model o 2.1 Fundamental fermions Antiparticles Quarks o 2.2 Fundamental bosons Gluons 5

6 2.2.2 Electroweak bosons Higgs boson 3 Beyond the Standard Model o 3.1 Grand unification o 3.2 Supersymmetry o 3.3 String theory o 3.4 Preon theory 4 See also 5 References 6 Further reading 7 External links [edit] Overview All elementary particles are either bosons or fermions (depending on their spin). The spinstatistics theorem identifies the resulting quantum statistics that differentiates fermions from bosons. According to this methodology: particles normally associated with matter are fermions, having half-integer spin; they are divided into twelve flavours. Particles associated with fundamental forces are bosons, having integer spin. [3] Fermions: Quarks up, down, charm, strange, top, bottom Leptons electron neutrino, electron, muon neutrino, muon, tau neutrino, tau Bosons: Gauge bosons gluon, W and Z bosons, photon Other bosons Higgs boson, graviton [edit] Standard Model Main article: Standard Model The Standard Model of particle physics contains 12 flavours of elementary fermions, plus their corresponding antiparticles, as well as elementary bosons that mediate the forces and the still undiscovered Higgs boson. However, the Standard Model is widely considered to be a provisional theory rather than a truly fundamental one, since it is fundamentally incompatible with Einstein's general relativity. There are likely to be hypothetical elementary particles not described by the Standard Model, such as the graviton, the particle that would carry the gravitational force or the sparticles, supersymmetric partners of the ordinary particles. [edit] Fundamental fermions Main article: fermion 6

7 The 12 fundamental fermionic flavours are divided into three generations of four particles each. Six of the particles are quarks. The remaining six are leptons, three of which are neutrinos, and the remaining three of which have an electric charge of 1: the electron and its two cousins, the muon and the tau lepton. Particle Generations First generation Second generation Third generation electron: e electron-neutrino: ν e up quark: u down quark: d muon: μ muon-neutrino: ν μ charm quark: c strange quark: s tau: τ tau-neutrino: ν τ top quark: t bottom quark: b [edit] Antiparticles Main article: antimatter There are also 12 fundamental fermionic antiparticles which correspond to these 12 particles. The positron e + corresponds to the electron and has an electric charge of +1 and so on: Antiparticles First generation Second generation Third generation positron: e + electron-antineutrino: up antiquark: down antiquark: positive muon: μ + muon-antineutrino: charm antiquark: strange antiquark: positive tau: τ + tau-antineutrino: top antiquark: bottom antiquark: [edit] Quarks Main article: quark Quarks and antiquarks have never been detected to be isolated, a fact explained by confinement. Every quark carries one of three color charges of the strong interaction; antiquarks similarly carry anticolor. Color charged particles interact via gluon exchange in the same way that charged particles interact via photon exchange. However, gluons are themselves color charged, resulting in an amplification of the strong force as color charged particles are separated. Unlike the electromagnetic force which diminishes as charged particles separate, color charged particles feel increasing force; effectively, they very rarely separate from one another (and when they do they create an energy carrier particle which later converts to two new quarks of different type). However, color charged particles may combine to form color neutral composite particles called hadrons. A quark may pair up to an antiquark: the quark has a color and the antiquark has the corresponding anticolor. The color and anticolor cancel out, forming a color neutral meson. Alternatively, three quarks can exist together, one quark being "red", another "blue", another "green". These three colored quarks together form a color-neutral baryon. 7

8 Symmetrically, three antiquarks with the colors "antired", "antiblue" and "antigreen" can form a color-neutral antibaryon. Quarks also carry fractional electric charges, but since they are confined within hadrons whose charges are all integral, fractional charges have never been isolated. Note that quarks have electric charges of either +2/3 or 1/3, whereas antiquarks have corresponding electric charges of either 2/3 or +1/3. Evidence for the existence of quarks comes from deep inelastic scattering: firing electrons at nuclei to determine the distribution of charge within nucleons (which are baryons). If the charge is uniform, the electric field around the proton should be uniform and the electron should scatter elastically. Low-energy electrons do scatter in this way, but above a particular energy, the protons deflect some electrons through large angles. The recoiling electron has much less energy and a jet of particles is emitted. This inelastic scattering suggests that the charge in the proton is not uniform but split among smaller charged particles: quarks. [edit] Fundamental bosons Main article: boson In the Standard Model, vector (spin-1) bosons (gluons, photons, and the W and Z bosons) mediate forces, while the Higgs boson (spin-0) is responsible for particles having intrinsic mass. [edit] Gluons Main article: gluon Gluons are the mediators of the strong interaction and carry both colour and anticolour. Although gluons are massless, they are never observed in detectors due to colour confinement; rather, they produce jets of hadrons, similar to single quarks. The first evidence for gluons came from annihilations of electrons and positrons at high energies which sometimes produced three jets a quark, an antiquark, and a gluon. [edit] Electroweak bosons Main article: W and Z bosons There are three weak gauge bosons: W +, W, and Z 0 ; these mediate the weak interaction. The massless photon mediates the electromagnetic interaction. [edit] Higgs boson Main article: Higgs boson Although the weak and electromagnetic forces appear quite different to us at everyday energies, the two forces are theorized to unify as a single electroweak force at high energies. This prediction was clearly confirmed by measurements of cross-sections for high-energy electron-proton scattering at the HERA collider at DESY. The differences at low energies is a consequence of the high masses of the W and Z bosons, which in turn are a consequence of the Higgs mechanism. Through the process of spontaneous symmetry breaking, the Higgs selects a special direction in electroweak space that causes three electroweak particles to 8

9 become very heavy (the weak bosons) and one to remain massless (the photon). Although the Higgs mechanism has become an accepted part of the Standard Model, the Higgs boson itself has not yet been observed in detectors. Indirect evidence for the Higgs boson suggests its mass lies below GeV. [4] In this case, the LHC experiments will be able to discover this last missing piece of the Standard Model. [edit] Beyond the Standard Model Although all experimental evidence confirms the predictions of the Standard Model, many physicists find this model to be unsatisfactory due to its many undetermined parameters, many fundamental particles, the non-observation of the Higgs boson and other more theoretical considerations such as the hierarchy problem. There are many speculative theories beyond the Standard Model which attempt to rectify these deficiencies. [edit] Grand unification Main article: grand unification theory One extension of the Standard Model attempts to combine the electroweak interaction with the strong interaction into a single 'grand unified theory' (GUT). Such a force would be spontaneously broken into the three forces by a Higgs-like mechanism. The most dramatic prediction of grand unification is the existence of X and Y bosons, which cause proton decay. However, the non-observation of proton decay at Super-Kamiokande rules out the simplest GUTs, including SU(5) and SO(10). [edit] Supersymmetry Main article: supersymmetry Supersymmetry extends the Standard Model by adding an additional class of symmetries to the Lagrangian. These symmetries exchange fermionic particles with bosonic ones. Such a symmetry predicts the existence of supersymmetric particles, abbreviated as sparticles, which include the sleptons, squarks, neutralinos and charginos. Each particle in the Standard Model would have a superpartner whose spin differs by 1/2 from the ordinary particle. Due to the breaking of supersymmetry, the sparticles are much heavier than their ordinary counterparts; they are so heavy that existing particle colliders would not be powerful enough to produce them. However, some physicists believe that sparticles will be detected when the Large Hadron Collider at CERN begins running. [edit] String theory Main article: string theory String Theory is a theory of physics where all "particles" that make up matter and energy are comprised of strings (measuring at the Planck length) that exist in an 11-dimensional (according to M-theory, the leading version) universe. These strings vibrate at different frequencies which determine mass, electric charge, color charge, and spin. A string can be open (a line) or closed in a loop (a one-dimensional sphere, like a circle). As a string moves through space it sweeps out something called a world sheet. String theory predicts 1- to 10-9

10 branes (a 1-brane being a string and a 10-brane being a 10-dimensional object) which prevent tears in the "fabric" of space using the uncertainty principle (e.g. the electron orbiting a hydrogen atom has the probability, albeit small, that it could be anywhere else in the universe at any given moment). String theory posits that our universe is merely a 4-brane, inside which exist the 3 space dimensions and the 1 time dimension that we observe. The remaining 6 theoretical dimensions are either very tiny and curled up (and too small to affect our universe in any way) or simply do not/cannot exist in our universe (because they exist in a grander scheme called the "multiverse" outside our known universe). One particularly interesting prediction of string theory is the existence of extremely massive counterparts of ordinary particles due to vibrational excitations of the fundamental string. Another important prediction is the existence of a massless spin-2 particle behaving like the graviton. [edit] Preon theory Main article: preon According to preon theory there are one or more orders of particles more fundamental than those (or most of those) found in the Standard Model. The most fundamental of these are normally called preons, which is derived from "pre-quarks". In essence, preon theory tries to do for the Standard Model what the Standard Model did for the particle zoo that came before it. Most models assume that almost everything in the Standard Model can be explained in terms of three to half a dozen more fundamental particles and the rules that govern their interactions. Interest in preons has waned since the simplest models were experimentally ruled out in the 1980s. [edit] See also Subatomic particle List of particles [edit] References 1. ^ Gribbin, John (2000). Q is for Quantum - An Encyclopedia of Particle Physics. Simon & Schuster. ISBN X. 2. ^ Clark, John, E.O. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble. ISBN ^ Veltman, Martinus (2003). Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics. World Scientific. ISBN X. 4. ^ Quark experiment predicts heavier Higgs Greene, Brian (1999). The Elegant Universe. W.W.Norton & Company. ISBN [edit] Further reading 10

11 Feynman, R.P. & Weinberg, S. (1987). Elementary Particles and the Laws of Physics: The 1986 Dirac Memorial Lectures, New York: Cambridge University Press. [edit] External links Greene, Brian, "Elementary particles". The Elegant Universe, NOVA (PBS) particleadventure.org: The Standard Model, *Unsolved Mysteries. Beyond The Standard Model, *What is the World Made of? The Naming of Quarks particleadventure.org: Particle chart University of California: Particle Data Group CERNCourier: Season of Higgs and melodrama Pentaquark information page Interactions.org Particle physics news Symmetry Magazine, a joint Fermilab/SLAC publication Energy relationship between photons and gravitons "Sized Matter: perception of the extreme unseen" Michigan University project for artistic visualisation of subatomic particles. [show] v d e Particles in physics eμτeμτ [show] v d e Into Matter Retrieved from " Categories: Fundamental physics concepts Subatomic particles Quantum mechanics This page was last modified on 8 May 2008, at 18:54. All text is available under the terms of the GNU Free Documentation License. (See Copyrights for details.) Wikipedia is a registered trademark of the Wikimedia Foundation, Inc., a U.S. registered 501(c)(3) tax-deductible nonprofit charity. Privacy policy About Wikipedia Disclaimers 11

12 12