Elementární částice

Ve fyzice je elementární částice nebo fundamentální částice částice, která se neskládá z jiných částic.

Elementární částice může být ze dvou skupin: fermion nebo boson. Fermiony jsou stavebními kameny hmoty a mají hmotnost, zatímco bosony se chovají jako nosiče sil pro fermionové interakce a některé z nich nemají hmotnost. Standardní model je nejpřijatelnějším způsobem vysvětlení chování částic a sil, které na ně působí. Podle tohoto modelu se elementární částice dále dělí na kvarky, leptony a měřítkové bosony, přičemž Higgsůvboson má zvláštní postavení jako neměřičový boson.

Z částic, které tvoří atom, je elementární částicí pouze elektron. Protony a neutrony se skládají každý ze tří kvarků, což z nich dělá složené částice, částice, které se skládají z jiných částic. Kvarky jsou navzájem spojeny gluony. Jádro má bosonová pole pionů, která jsou zodpovědná za silnou jadernou sílu spojující protony a neutrony proti elektrostatickému odpuzování mezi protony. Takové virtuální piony jsou složeny z kvarků antikvarků, které opět drží pohromadě gluony.

Existují tři základní vlastnosti, které popisují elementární částici: "hmotnost", "náboj" a "spin". Každé vlastnosti je přiřazena číselná hodnota. Pro hmotnost a náboj může být číslo nulové. Například foton má nulovou hmotnost a neutrino má nulový náboj. Tyto vlastnosti zůstávají u elementárních částic vždy stejné.

Mass: Částice má hmotnost, pokud je ke zvýšení její rychlosti nebo k jejímu urychlení zapotřebí energie. V tabulce vpravo je uvedena hmotnost jednotlivých elementárních částic. Hodnoty jsou uvedeny v MeV/c2s (tj. vysloveno megaelektronvolty na druhou "c"), tedy v jednotkách energie na druhou rychlost světla. To vychází ze speciální teorie relativity, která říká, že energie se rovná hmotnosti krát kvadrát rychlosti světla. Všechny částice s hmotností vytvářejí gravitaci. Všechny částice jsou ovlivňovány gravitací, dokonce i částice bez hmotnosti, jako je foton (viz obecná teorie relativity).
Elektrický náboj: Částice mohou mít kladný nebo záporný náboj, případně žádný. Pokud má jedna částice záporný náboj a druhá částice kladný, obě částice se vzájemně přitahují. Pokud mají obě částice záporný náboj, nebo mají obě částice kladný náboj, obě částice se od sebe odstrkují. Na malé vzdálenosti je tato síla mnohem silnější než gravitační síla, která všechny částice přitahuje k sobě. Elektron má náboj -1. Proton má náboj +1. Neutron má průměrný náboj 0. Normální kvarky mají náboj ⅔ nebo -⅓.
Spin: Úhlový moment hybnosti nebo konstantní otáčení částice má určitou hodnotu, která se nazývá spinové číslo. Spin elementárních částic je jedna nebo ½. Spinová vlastnost částic označuje pouze přítomnost momentu hybnosti. Ve skutečnosti částice nespinuji.

Hmotnost a náboj jsou vlastnosti, se kterými se setkáváme v každodenním životě, protože gravitace a elektřina ovlivňují věci, které člověk vidí a kterých se dotýká. Spin však ovlivňuje pouze svět subatomárních částic, takže jej nelze přímo pozorovat.

Standardní model elementárních částic. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.

Fermiony

Fermiony (pojmenované po vědci Enricu Fermim) mají spinové číslo ½ a jsou to kvarky nebo leptony. Existuje 12 různých typů fermionů (bez antihmoty). Každý typ se nazývá "příchuť". Jsou to tyto příchutě:

Kvarky: nahoru, dolů, kouzlo, zvláštní, nahoře, dole. Kvarky se vyskytují ve třech párech, kterým se říká "generace". První generace (nahoru a dolů) je nejlehčí a třetí (nahoru a dolů) je nejtěžší. Jeden člen každého páru (nahoru, charm a top) má náboj ⅔. Druhý člen (dole, podivín a dole) má náboj -⅓.
Leptony: elektron, mion, tau, elektronové neutrino, mionové neutrino, tau neutrino. Neutrina mají náboj 0, proto předpona neutr-. Ostatní leptony mají náboj -1. Každé neutrino je pojmenováno podle příslušného původního leptonu: elektron, mion a tauon.

Předpokládá se, že šest z 12 fermionů je věčných: kvarky nahoru a dolů, elektron a tři druhy neutrin (které neustále mění příchuť). Ostatní fermiony se rozpadají. To znamená, že se rozpadají na jiné částice zlomek sekundy po svém vzniku. Fermiho-Diracova statistika je teorie, která popisuje chování souborů fermionů. V podstatě platí, že na jednom místě nemůže být současně více než jeden fermion.

Bosony

Bosony, pojmenované po indickém fyzikovi Satjendrovi Nathovi Boseovi, mají spin 1. Ačkoli většina bosonů je tvořena více částicemi, existují dva druhy elementárních bosonů:

Gauge bosony: gluony, bosonyW+a W-bosonyZ0 a fotony. Tyto bosony jsou nositeli 3 ze 4 základních sil a mají spinové číslo 1;

Gluon: Gluony jsou částice bez hmotnosti a náboje, které jsou nositeli silové interakce. Spolu s kvarky se spojují do složených částic zvaných hadrony, mezi něž patří protony a neutrony.
W a Z bosony: W a Z bosony jsou částice, které přenášejí slabou sílu. Boson W má svou částicí hmotu (W+) a částicí antihmotu (W-), zatímco boson Z je svou vlastní antičásticí. Boson W vzniká při rozpadu beta, ale téměř okamžitě se mění na neutrino a elektron. Oba bosony W a Z byly objeveny v roce 1983.
Foton: Fotony jsou částice bez hmotnosti a náboje, které jsou nositeli elektromagnetické síly. Fotony mohou mít určitou frekvenci, která určuje, o jaké elektromagnetické záření se jedná. Stejně jako všechny ostatní bezhmotné částice se pohybují rychlostí světla (300 000 km/s).

Higgsův boson: Fyzikové se domnívají, že hmotné částice mají hmotnost (tj. nejsou to čisté svazky energie jako fotony) díky Higgsově interakci.

Foton a gluony nemají náboj a jsou jedinými elementárními částicemi, které mají s jistotou hmotnost 0. Foton je jediný boson, který se nerozpadá. Boseho-Einsteinova statistika je teorie, která popisuje, jak se chovají soubory bosonů. Na rozdíl od fermionů je možné mít v jednom prostoru více bosonů současně.

Standardní model zahrnuje všechny výše popsané elementární částice. Všechny tyto částice byly pozorovány v laboratoři.

Standardní model nehovoří o gravitaci. Pokud gravitace funguje stejně jako ostatní tři základní síly, pak je nositelem gravitace hypotetický boson zvaný graviton. Graviton zatím nebyl nalezen, proto není ve výše uvedené tabulce zahrnut.

Prvním objeveným fermionem, o kterém víme nejvíce, je elektron. Prvním objeveným bosonem, o kterém víme nejvíce, je foton. Teorie, která nejpřesněji vysvětluje, jak elektron, foton, elektromagnetismus a elektromagnetické záření fungují společně, se nazývá kvantová elektrodynamika.

Otázky a odpovědi

Otázka: Co jsou elementární částice?

Odpověď: Elementární částice jsou částice, které nejsou složeny z jiných částic.

Otázka: Do kolika skupin patří elementární částice?

Odpověď: Elementární částice mohou patřit do jedné ze dvou skupin, fermionů nebo bosonů.

Otázka: Co je to standardní model?

Odpověď: Standardní model je nejpřijatelnější způsob, jak vysvětlit chování částic a sil, které je ovlivňují.

Otázka: Jak jsou elementární částice rozděleny do skupin podle standardního modelu?

Odpověď: Podle Standardního modelu se elementární částice dále dělí na kvarky, leptony a měřítkové bosony, přičemž Higgsův boson má zvláštní postavení jako ne-měřítkový boson.

Otázka: Jsou protony a neutrony považovány za elementární částice?

Odpověď: Ne, protony a neutrony se nepovažují za elementární částice, protože každý z nich se skládá ze tří kvarků, což z nich činí složené částice - to znamená, že se skládají z jiných menších částic.

Otázka: Jaké vlastnosti popisují elementární částice?

Odpověď: Existují tři základní vlastnosti, které popisují elementární částici - hmotnost, náboj a spin - každé vlastnosti je přiřazena číselná hodnota.

Otázka: Působí gravitace na všechny typy částic, dokonce i na ty, které nemají hmotnost, jako jsou fotony?

Odpověď: Ano, díky obecné teorii relativity působí gravitace na všechny typy částic, včetně těch bez hmotnosti, jako jsou fotony.