Fundamentálna častica

Fundamentálna častica alebo elementárna častica v užšom zmysle je vo fyzike elementárnych častíc taká subatómová častica, ktorú už nie je možné ďalej deliť. Z fundamentálnych častíc sa skladajú všetky ostatné častice v celej prírode (vesmíre). Sú to teda najmenšie možné elementárne častice.

Štandardný model elementárnych častíc

Ak základná častica naozaj nemá žiadnu vnútornú štruktúru, tak sa považuje za základný stavebný prvok vesmíru, z ktorého sa skladajú ostatné častice. Elementárne častice Štandardného modelu sa skladajú zo základných fermiónov (kvarky, leptóny a ich antičastice) a zo základných bozónov (výmenné častice a Higgsov bozón).

V minulosti sa hadróny (mezóny a baryóny ako protóny a neutróny) a dokonca aj celé atómy považovali za ďalej nedeliteľné častice (slovo atóm znamená nedeliteľný). Podstatou teórie základných častíc je myšlienka zo začiatku 20. storočia, a to teória o kvantách, ktorá radikálne zmenila naše chápanie elektromagnetického žiarenia a na jej základe vznikla kvantová mechanika. Pre potreby matematiky sa elementárne častice považujú za bodové častice, aj keď niektoré časticové teórie ako napr. teória strún predpokladajú, že majú fyzikálne rozmery.

Prehľad

Prehľad rôznych rodín fundamentálnych a zložených častíc a teórií popisujúcich ich interakcie

Podľa Štandardného modelu patria všetky elementárne častice buď medzi bozóny alebo fermióny (v závislosti od hodnoty spinu). Teóra spinovej štatistiky určuje výslednú kvantovú štatistiku, podľa ktorej rozlišujeme bozóny a fermióny. Podľa tejto metodológie, častice bežne spájané s hmotou sú fermióny. Majú poločíselnu hodnotu spinu a delíme ich do dvanástich vôní. Častice spájané so základnými silami sú bozóny a ich spin má celočíselnú hodnotu.

Základné fermióny (častice hmoty): Kvarky: horný, dolný, pôvabný, podivný, vrchný a spodný Leptóny: elektrón, elektrónové neutríno, mión, miónové neutríno, tau a tau neutríno

Základné bozóny (častice prenášajúce sily): Kalibračné bozóny: gluón, W a Z bozón, fotón Iné bozóny: Higgsov bozón

Poslednou neobjavenou časticou z týchto je Higgsov bozón, ale jeho existenciu sa snažia potvrdiť alebo vyvrátiť vo Veľkom hadrónovom urýchľovači. Môžu existovať aj ďalšie elementárne častice ako gravitón, ktorý by mal sprostredkovať prenos gravitácie. Tieto častice sú ale za hranicami Štandardného modelu.

Bežné elementárne častice

Niekoľko odhadov tvrdí, že prakticky všetku hmotu, z pohľadu hmotnosti vo viditeľnom vesmíre, (okrem tmavej hmoty) tvoria protóny v atómoch vodíka. Ďalej tvrdí, že vo viditeľnom vesmíre existuje zhruba 10⁸⁰ protónov (Eddingtonovo číslo) a zhruba 10⁸⁰ atómov. Každý protón sa skladá z 3 základných častíc: dvoch horných kvarkov a jedného dolného kvarku. Neutróny a ostatné častice ťažšie ako protón, ako napr. hélium a iné, sú také zriedkavé, že ich spoločná hmotnosť je omnoho menšia v porovnaní s hmotnosťou protónov v atómoch vodíka. Ľahšie častice, ako rovnako početné elektróny a mnohokrát viac zastúpené neutrína, sú o toľko ľahšie ako protóny, že ich celková hmotnosť vo viditeľnom vesmíre je v porovnaní s hmotnosťou protónov nepredstaviteľne menšia

Iné odhady tvrdia, že prakticky všetka hmota vo viditeľnom vesmíre (okrem tmavej hmoty), keď berieme do úvahy počet častíc, existuje vo forme neutrín. Odhaduje sa, že vo viditeľnom vesmíre existuje približne 10⁸⁶ elementárnych častíc, z veľkej väčšiny neutrín. Ďalšie odhady predpokladajú až 10⁹⁷ elementárnych častíc, prevažne fotónov, gravitónov a ďalších nehmotných častíc prenášajúcich sily.

Štandardný model

Štandardný model časticovej fyziky sa pozostáva z 12 vôní základných fermiónov a ich antičastíc a z elementárnych bozónov, ktoré sprostredkujú prenos síl a zo zatiaľ neobjaveného Higgsovho bozónu. Pretože nie je známe či je Štandardný model kompatibilný s Einsteinovou Všeobecnou teóriu relativity, je všeobecne považovaný skôr za provizórnu teóriu ako za skutočne fundamentálnu teóriu. A vysokou pravdepodobnosťou existujú elementárne častice, ktoré Štandardný model nepopisuje, ako gravitón, častica ktorá by mala sprostredkovať prenos gravitácie.

Základné fermióny

12 základných vôní fermiónov je rozdelených do troch generácií po 4 časticiach. Z celkového počtu je 6 kvarkov a zostávajúcich 6 sú leptóny, z ktorých 3 sú neutrína a ďalšie nesú elektrický náboj v hodnote -1, a to elektrón a jeho príbuzní, mión a tau.

Generácie častíc

Leptóny
Prvá generácia		Druhá generácia		Tretia generácia
Názov	Symbol	Názov	Symbol	Názov	Symbol
elektrón	e-	mión	μ-	tauón	τ-
elektrónové neutríno	ve	miónové neutríno	vμ	tau neutríno	vτ
Kvarky
Prvá generácia		Druhá generácia		Tretia generácia
horný kvark	u	pôvabný kvark	c	vrchný kvark	t
dolný kvark	d	podivný kvark	s	spodný kvark	b

Antičastice

Existuje tiež 12 základných fermiónových antičastíc, pre každú základnú časticu jedna. Antičastice sú zrkadlovým obrazom častíc, majú rovnaké vlastnosti ako častice ale nesú opačný elektrický náboj. Napr. antielektrón (pozitrón) e+ je antičasticou elektrónu a nesie elektrický náboj +1.

Generácie častíc

Antileptóny
Prvá generácia		Druhá generácia		Tretia generácia
Názov	Symbol	Názov	Symbol	Názov	Symbol
pozitrón (pozitrón)	e+	antimión	μ+	antitau	τ+
elektrónové antineutríno		miónové antineutríno		tau antineutríno
Antikvarky
Prvá generácia		Druhá generácia		Tretia generácia
horný antikvark		pôvabný antikvark	c	vrchný antikvark
dolný antikvark		podivný antikvark		spodný antikvark

Kvarky

Jednotlivé kvarky nikdy neboli pozorované samostatne, čo vysvetľuje tzv. asymptotická voľnosť. Každý kvark nesie jeden z troch farebných nábojov silnej interakcie a antikvarky nesú zodpovedajúci farebný antináboj. Častice nesúce farebný náboj reagujú medzi sebou prostredníctvom výmeny gluónov rovnakým spôsobom ako medzi sebou reagujú častice nesúce elektrický náboj prostredníctvom fotónov. Napriek tomu, že samotné gluóny nesú farebný náboj, tak pri izolovaní jednotlivých častíc s farebným nábojom dochádza k zosilneniu silnej interakcie, na rozdiel od elektromagnetickej sily, ktorá po izolovaní jednotlivých nabitých častíc zoslabne.

Aj napriek tomu môžu častice s farebným nábojom vzájomnými kombináciami vytvárať neutrálne zložené častice, hadróny. Kvarky tiež vytvárajú kombinácie párov kvark – antikvark, pričom kvark nesie farebný náboj a antikvark zodpovedajúci antifarebný náboj, pričom vznikajú neutrálne častice tzv. mezóny. Prípadne vznikajú kombinácie troch kvarkov, z ktorých každý nesie rôzny farebný náboj (modrý, červený, zelený). Takéto kombinácie kvarkov vytvoria farebne neutrálny baryón a symetricky k tomu tri antikvarky s rôznými farebnými nábojmi (antičervený, antimodrý, antizelený) vytvárajú farebne neutrálne antibaryóny.

Kvarky tiež nesú čiastkové elektrické náboje, ale keďže sú viazané v rámci hadrónov, ktoré nesú celočíselný náboj, tak tieto čiastkové náboje nikdy neboli izolované. Jednotlivé kvarky nesú elektrický náboj v hodnote buď +2/3 alebo -1/3.Tomu zodpovedá náboj jednotlivých antikvarkov s hodnotami buď -2/3 alebo +1/3.

Dôkazom existencie kvarkov je nepružný hlboký rozptyl. Týmto experimentom sa zisťuje distribúcia elektrického náboja v rámci nukleónov (baryónov) pomocou ostreľovania jadier atómov elektrónmi. Ak by bol náboj rozmiestnený rovnomerne, tak by elektrické pole v okolí protónov bolo tiež rovnomerné a rozptyl elektrónov by bol pružný. Týmto spôsobom sa rozptyľujú nízko energetické elektróny, ale po prekročení určitej energie protóny odchýlia niektoré z elektrónov pod veľmi veľkým uhlom. Takýto elektrón má omnoho menšiu energiu a vytvorí prúd častíc. A tento nepružný rozptyl naznačuje, že náboj v rámci protónu nie je rozmiestnení rovnomerne, ale je rozdelený medzi menšie nabité častice: kvarky.

Základné bozóny

V rámci štandardného modelu vektorové bozóny s hodnotou spinu 1 (gluóny, fotóny a W a Z bozóny) sprostredkujú prenos síl a Higgsov bozón so spinom 0 spôsobuje, že častice nadobúdajú hmotnosť.

Gluóny

Gluóny prenášajú silnú interakciu a nesú aj farebný náboj aj zodpovedajúci antifarebný náboj. Gluóny majú nulovú hmotnosť. Nikdy nie sú detegované z dôvodu asymptotickej voľnosti, ale vytvoria prúd hadrónov podobne ako samostatné kvarky. Prvý dôkaz existencie gluónov sa zistil pri zrážkach vysoko energetických elektrónov a pozitrónov, a z ich vzájomnej anihilácie niekedy vzniknú tri prúdy častíc - kvark, antikvark a gluón.

Elektroslabé bozóny

Existujú tri bozóny sprostredkujúce slabú interakciu : W⁺, W⁻ a Z⁰ Fotón s nulovou hmotnosťou sprostredkuje elektromagnetickú silu.

Higgsov bozón

Aj keď slabá a elektromagnetická sila sa pri bežných energiách javia ako úplne rozličné sily, tak pri vysokých energiách sa zjednotia do jedinej elektroslabej sily. Tento predpoklad bol jednoznačne potvrdený meraniami prierezu vysoko energetického elektrónovo-protónového rozptylu v urýchľovači HERA. Rozdiely pri nízkych energiách sú dôsledkom vysokých hmotností W a Z bozónov, čo je zasa dôsledkom Higgsovho mechanizmu. Počas spontánneho rozpadu symetrie je Higgsov mechanizmus schopný dávať hmotnosť kalibračným bozónom, pričom zostáva kompatibilný s kalibračnými teóriami. Aj keď je Higgsov mechanizmus akceptovanou súčasťou Štandardného modelu, samotný Higgsov bozón zatiaľ nebol pozorovaný. Nepriame dôkazy naznačovali jeho hmotnosť v rozmedzí 200 – 250GeV. Neskôr LHC opakovane zachytil signál okolo 125 GeV, o ktorom sa predpokladá, že patrí Higgsvmu bozónu,, ale pre potvrdenie je potrebné získať ďalšie dáta.

Teórie mimo štandardného modelu

Aj keď experimentálne dôkazy potvrdzujú predpoklady Štandardného modelu, tak mnoho fyzikov tento model považuje za nedostatočný, pretože obsahuje množstvo neurčitých parametrov, množstvo základných častíc, nepozorovaný Higgsov bozón a iné viac teoretické úvahy ako hierarchický problém. Existuje viacero špekulatívnych teórií mimo štandardného modelu, ktoré sa pokúšajú odstrániť tieto nedostatky.

Veľké zjednotenie

Je rozšírením štandardného modelu, ktoré sa pokúša o zjednotenie elektroslabej a silnej sily do jednej veľkej zjednotenej teórie (GUT). Takáto sila by sa spontánne rozpadala na tri sily spôsobom podobným Higgsovmu mechanizmu. Dôležitým predpokladom veľkého zjednotenia je predpovedaná existencia X a Y bozónov, spôsobujúcich rozpad protónov. A pretože počas Super-Kamiokande experimentu takýto protónový rozpad nebol pozorovaný, tak tento predpoklad vylučuje najjednoduchšie GUT, vrátane SU(5) a SO(10).

Supersymetria

Supersymetria rozširuje štandardný model pridaním ďalšej triedy symetrií k Langrangeanovej funkcii. Tieto symetrie zamieňajú fermiónové častice za bozónové. Táto symetria predpokladá existenciu supersymetrických častíc, tzv. sparticles, ktoré zahŕňajú sleptóny, skvarky, neutralína, čardžína. Všetky častice štandardného modelu by mali mať tzv. superpartnera – t. j. časticu, ktorej spin by sa od pôvodnej líšil o ½. Vďaka rozpadu supersymetrie sú sčastice omnoho ťažšie ako ich bežný príbuzní. Sú dokonca tak ťažké, že súčasné urýchľovače častíc nie sú dostatočne výkonné na to, aby sme ich zaznamenali. Napriek tomu niektorí fyzici veria, že sčastice spozorujú vo Veľkom hadrónov urýchľovači v CERNe.

Teória strún

Teória strún predstavuje fyzikálny model, v ktorom sa všetky častice tvoriace hmotu skladajú zo strún (veľkosti cca Planckovej dĺžky), ktoré existujú v 11 rozmernom priestore (podľa M teórie). Tieto struny vibrujú rôznymi frekvenciami, čo určuje hmotnosť, elektrický náboj, farebný náboj a spin. Struny môžu byť otvorené (ako úsečka) alebo uzavreté v slučke (1 rozmerná guľa – kruh). Teória strún predpokladá 1- až 10-membrány (kde 1-membrána predstavuje strunu a 10-membrána je 10 rozmerný objekt), ktoré zabraňujú vzniku trhlín v priestore pomocou princípu neurčitosti.

Teória strún predpokladá, že náš vesmír je len 4 rozmernou membránou, v rámci ktorej existujú 3 priestorové dimenzie a 1 časová. Ostatných 6 rozmerov je buď veľmi malých (primalých na to, aby mali hocijaký vplyv v našom vesmíre) alebo prosto v našom vesmíre nemôžu existovať/neexistujú (pretože existujú vo vyššom rozmere – mnohovesmír mimo nášho známeho vesmíru).

Technicolor

Technicolor teórie sa pokúšajú upraviť štandardný model len minimálne a to pridaním novej interakcie (sily) podobnej QCD. To znamená pridanie novej teórie tzv. Technikvarkov interagujúcich prostredníctvom Technigluónov. Hlavnou myšlienkou teórie je, že Higgsov bozón nie je elementárna častica, ale viazaný stav týchto objektov.

Pozri aj

• Elementárne častice
• Fyzika elementárnych častíc
• Zoznam častíc

Literatúra

Všeobecné

• Feynman, R.P. & Weinberg, S. (1987) Elementary Particles and the Laws of Physics: The 1986 Dirac Memorial Lectures. Cambridge Univ. Press.
• Ford, Kenneth W. (2005) The Quantum World. Harvard Univ. Press.
• Brian Greene. The Elegant Universe. [s.l.] : W.W.Norton & Company, 1999. ISBN 0-393-05858-1.
• John Gribbin (2000) Q is for Quantum - An Encyclopedia of Particle Physics. Simon & Schuster. ISBN 0-684-85578-X.
• Oerter, Robert (2006) The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Plume.
• Schumm, Bruce A. (2004) Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. Johns Hopkins Univ. Press. ISBN 0-8018-7971-X.
• Martinus Veltman. Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics. [s.l.] : World Scientific, 2003. ISBN 981-238-149-X.
• Frank Close. Particle Physics: A Very Short Introduction. Oxford : Oxford University Press, 2004. ISBN 0-19-280434-0.

Knihy

• Bettini, Alessandro (2008) Introduction to Elementary Particle Physics. Cambridge Univ. Press. ISBN 9780521880213
• Coughlan, G. D., J. E. Dodd, and B. M. Gripaios (2006) The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists, 3rd ed. Cambridge Univ. Press. An undergraduate text for those not majoring in physics.
• Griffiths, David J. (1987) Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4.
• Kane, Gordon L.. Modern Elementary Particle Physics. [s.l.] : Perseus Books, 1987. ISBN 0-201-11749-5.
• Perkins, Donald H. (2000) Introduction to High Energy Physics, 4th ed. Cambridge Univ. Press.

Externé odkazy

• Greene, Brian, "Elementárne častice". Elegantný Vesmír, NOVA (PBS)
• particleadventure.org: Štandardný model, *Nevyriešené Záhady. Za Štandardným Modelom, *Z čoho pozostáva svet? Pomenovanie kvarkov
• University of California: Particle Data Group
• particleadventure.org: Tabuľka častíc
• CERNCourier: Season of Higgs and melodrama Archivované 2008-07-23 na Wayback Machine
• Pentakvark informačná stránka Archivované 2011-07-20 na Wayback Machine