Dalelių fizikos pagrindai

Ianas Cumingas / Getty Images

Pagrindinių, nedalomų dalelių samprata siekia senovės graikai (sąvoka žinoma kaip „atomizmas“). XX amžiuje fizikai pradėjo tyrinėti, kas vyksta mažiausiuose materijos lygiuose, o vienas iš labiausiai stebinančių šiuolaikinių atradimų buvo įvairių dalelių kiekis visatoje. Kvantinė fizika prognozuoja 18 elementariųjų dalelių tipų, o 16 jau buvo aptikta eksperimentiškai. Elementariosios dalelių fizikos tikslas – surasti likusias daleles.

Standartinis modelis

Standartinis dalelių fizikos modelis, kuris suskirsto elementarias daleles į kelias grupes, yra šiuolaikinės fizikos pagrindas. Šiame modelyje trys iš keturios pagrindinės fizikos jėgos yra aprašyti kartu su matuojamaisiais bozonais, dalelėmis, kurios tarpininkauja šioms jėgoms. Nors gravitacija techniškai neįtraukta į standartinį modelį, teoriniai fizikai stengiasi išplėsti modelį, kad apimtų ir prognozuotų kvantinė gravitacijos teorija .

Atrodo, kad dalelių fizikai džiaugiasi vienu dalyku, tai dalelių suskirstymas į grupes. Elementariosios dalelės yra mažiausios medžiagos ir energijos sudedamosios dalys. Kiek gali pasakyti mokslininkai, atrodo, kad jie nėra pagaminti iš kokių nors mažesnių dalelių derinių.

Medžiagos ir jėgų suskaidymas

Visos elementariosios dalelės fizikoje yra klasifikuojamos kaip fermionai arba bozonai . Kvantinė fizika rodo, kad dalelės gali turėti vidinį nenulinį sukimąsi arba kampinis pagreitis , su jais susiję.

Fermionas (pavadintas pagal Enrico Fermi ) yra dalelė, turinti pusės sveikojo skaičiaus sukimąsi, o bozonas (pavadintas Satyendra Nath Bose vardu) yra dalelė, turinti sveikąjį skaičių arba sveikąjį skaičių. Dėl šių sukimų tam tikrose situacijose atsiranda įvairių matematinių pritaikymų. Paprasta sveikųjų ir pusinių skaičių pridėjimo matematika rodo:

• Sujungus nelyginį fermionų skaičių, gaunamas fermionas, nes bendras sukimasis vis tiek bus pusės sveikojo skaičiaus vertė.
• Sujungus lyginį fermionų skaičių, susidaro bozonas, nes bendras sukimasis lemia sveikąjį skaičių.

Fermionai

Fermionų dalelių sukinys yra lygus pusės sveikojo skaičiaus reikšmei (-1/2, 1/2, 3/2 ir kt.). Šios dalelės sudaro materiją, kurią stebime savo visatoje. Dvi pagrindinės materijos sudedamosios dalys yra kvarkai ir leptonai. Abi šios subatominės dalelės yra fermionai, todėl visi bozonai yra sukurti iš tolygaus šių dalelių derinio.

Kvarkai yra fermionų klasė, sudaranti hadronus, pvz protonų ir neutronų . Kvarkai yra pagrindinės dalelės, kurios sąveikauja per visas keturias pagrindines fizikos jėgas: gravitaciją, elektromagnetizmas , silpna sąveika ir stipri sąveika. Kvarkai visada egzistuoja kartu, kad sudarytų subatomines daleles, žinomas kaip hadronai. Yra šeši skirtingi kvarkų tipai:

• Apatinis kvarkas
• Keistas Kvarkas
• Down Quark
• Top Quark
• Charm Quark
• Aukštyn Kvarkas

Leptonai yra pagrindinės dalelės, kurios nepatiria stiprios sąveikos. Yra šešios leptono veislės:

• Elektronas
• Elektroninis neutrinas
• Muon
• Muon Neutrino
• Taip
• Neutrinų skaičius

Kiekvienas iš trijų leptono „skonių“ (elektronas, miuonas ir tau) sudarytas iš „silpno dubleto“, anksčiau minėtos dalelės, kartu su beveik bemase neutralia dalele, vadinama neutrino . Taigi, elektronų leptonas yra silpnas elektrono ir elektrono-neutrino dubletas.

Bozonai

Bozonų dalelių sukimasis lygus sveikajam skaičiui (sveiki skaičiai, pvz., 1, 2, 3 ir tt). Šios dalelės tarpininkauja pagrindinėms fizikos jėgoms pagal kvantinio lauko teorijas.

• Fotonas
• W Bozonas
• Z Bozonas
• Klijai
• Higso bozonas
• Gravitacija

Sudėtinės dalelės

Hadronai yra dalelės, sudarytos iš kelių tarpusavyje sujungtų kvarkų, todėl jų sukimasis yra pusės sveikojo skaičiaus vertė. Hadronai skirstomi į mezonai (kurie yra bozonai) ir barionai (kurie yra fermionai).

• Mezonai
• Barionai
• Nukleonai
• Hiperonai: trumpaamžės dalelės, sudarytos iš keistų kvarkų

Molekulės yra sudėtingos struktūros, sudarytos iš kelių tarpusavyje sujungtų atomų. Pagrindinis cheminis medžiagos blokas, atomai susideda iš elektronų, protonų ir neutronų. Protonai ir neutronai yra nukleonai, barionų tipas, kurie kartu sudaro sudėtinę dalelę, kuri yra atomo branduolys. Mokslas, kaip atomai jungiasi tarpusavyje, sudarydami įvairias molekulines struktūras, yra šiuolaikinio žmogaus pagrindaschemija.

Dalelių klasifikacija

Dalelių fizikoje gali būti sunku išlaikyti visus pavadinimus tiesiai, todėl gali būti naudinga pagalvoti apie gyvūnų pasaulį, kur toks struktūrinis pavadinimų suteikimas gali būti labiau pažįstamas ir intuityvesnis. Žmonės yra primatai, žinduoliai ir taip pat stuburiniai gyvūnai. Panašiai protonai yra nukleonai, barionai, hadronai, taip pat fermionai.

Deja, skirtumas yra tas, kad terminai paprastai skamba panašiai. Pavyzdžiui, supainioti bozonus ir barionus yra daug lengviau nei supainioti primatus ir bestuburius. Vienintelis būdas iš tikrųjų išlaikyti šias skirtingas dalelių grupes yra tiesiog atidžiai jas išstudijuoti ir stengtis būti atsargiems dėl to, kuris pavadinimas naudojamas.

RedaguotaAnne Marie Helmenstine, mokslų daktarė.