Elementárne častice

Elementárne častice

Jednou zo základných otázok, ktorú rieši fyzika je otázka zloženia sveta. Napríklad Demokritos v Starom Grécku predpokladal, že všetko pozostáva z nedeliteľných atómov. Existenciu atómov sa podarilo experimentálne potvrdiť až v minulom storočí. Na začiatku nášho storočia sa však zistilo, že atómy nie sú nedeliteľné, ale sa skladajú z jadra, ktoré pozostáva z protónov a neutrónov a obalu, ktorý je tvorený elektrónmi.

Istý čas sa potom verilo, že tieto subatómové (menšie ako atóm) častice sú naozaj elementárnymi časticami sveta. Lenže neskôr sa podarilo objaviť ďalšie častice, ktoré vznikali pri jadrových reakciách, ako napríklad neutrína, pióny, mióny, hyperóny... Dnes je známych viac ako 500 takýchto subatómových častíc.

Elementárna častica je základný objekt tvoriaci hmotu (látku alebo pole), spravidla vrátane antihmoty.

A) Najmenšie elementárne:
kvarky
leptóny (napríklad elektróny, neutrína, tauóny, mióny…)
kalibračné bozóny (fotóny, bozóny W a Z, gluóny, [hypotetický] gravitón)
Higgsov bozón (hypotetický)

B) Elementárne častice v širšom zmysle (a v praxi) je označenie aj pre malé častice (sú ich stovky a všetko sú to častice látky) tvorené kvarkami a niekedy aj antikvarkami, teda jednotlivé:
mezóny (pióny a kaóny)
baryóny (nukleóny [ protón, neutrón ] a hyperóny [lambda, sigma…])

Každá elementárna častica (v širšom zmysle) je charakterizovaná pokojovou hmotnosťou, pokojovou energiou, elektrickým nábojom, dobou života, spinom a ďalšími kvantovými číslami.

C) Po zohľadnení antihmoty sú elementrárnymi časticami aj ekvivalentné antičastice, teda antikvarky, antileptóny a pod., pravda pokiaľ existujú.

Z elementárnych častíc sú zložené všetky ostatné druhy hmoty: atómy, molekuly, makroskopické telesá, ciže celý náš svet, i kozmické sústavy. Podľa súčasných poznatkov existuje 12 naozaj elementárnych častíc (6 leptónov a 6 kvarkov). Ku každej takejto častici existuje antičastica.

Leptón je častica, na ktorú nepôsobí silná jadrová sila. Meno leptón pochádza z gréčtiny a znamená ľahký. Vystupujú v troch pároch, pričom v danej skupine (v danom type) je jeden leptón elektricky nabitý a druhý je jemu zodpovedajúce neutríno.
Elektrón – pozitrón
e- e+
Mión – antimión
μ- μ+
Tauón – antitauón
τ- τ+

Kvarky sú podľa súčasných predstáv častice, ktoré tvoria hadróny (teda napríklad protóny a neutróny). Typy kvarkov sa označujú ako „vône“ a vyskytujú sa v troch kvantových modifikáciách, tzv. „farbách“. Farby sa označujú ako modrá, červená a zelená, ale nemajú nič spoločné s farbami ako ich zvyčajne chápeme. Kvarky vytvárajú baryóny a mezóny. Každý baryón obsahuje tri kvarky rôznych farieb a vytvára tak bezfarebný celok. Teda častice, ktoré vzniknú z kvarkov sú bezfarebné.
Mezóny sa skladajú z kvarku a antikvarku rovnakej farby.

Poznáme 6 vôní: Up, Down, Bottom, Top, Charm a Strange.
kvark u (up) | kvark d (down) | pôvabný kvark (charm, c) | podivný kvark (strange, s) | kvark t (top) | kvark b (bottom)

Kalibračný bozón alebo častica poľa je istý druh častice, ktorá „tvorí“ (teda prenáša) interakcie medzi časticami.

Delia sa podľa prenášanej interakcie na:
8 gluónov, ktoré prenášajú silnú interakciu (jadrová sila)
fotón, ktorý prenáša elektromagnetickú interakciu (elektromagnetická sila)
2 bozóny W (W+ a W-) a 1 bozón Z, ktoré prenášajú slabú interakciu (rádioaktivita)
gravitón (len hypotetický), ktorý prenáša gravitačnú silu

Gluón (značka g) je výmenná častica "tvoriaca" (teda prenášajúca) silnú interakciu. Silná interakcia alebo jadrová interakcia je najsilnejšia zo základných štyroch interakcií. Je zodpovedná za súdržnosť kvarkov tvoriacich protóny a neutróny a za udržanie protónov a neutrónov v jadre atómu.
Fotón (z gréckeho: φως, svetlo) je vo fyzike kvantum elektromagnetického poľa, napríklad svetla. Energia fotónu s frekvenciou f je hf, kde h je Planckova konštanta. Má nulovú hmostnoť v pokoji a šíri sa rýchlosťou svetla.
Fotón je objekt mikrosveta, ktorý má aj časticové, aj vlnové vlastnosti, ale nie je ani vlnou, ani časticou.

Gravitón je hypotetická elementárna častica (zatiaľ experimentálne nedokázaná). Presnejšie je to taký kalibračný bozón, ktorý prenáša gravitačnú silu. Gravitón by mal byť podobne ako fotón nehmotný, pohybovať sa rýchlosťou svetla.

Bozóny W a Z sú elementárne častice, ktoré sprostredkúvajú slabú interakciu.

Higgsov bozón je hypotetická elementárna častica. Je to jediná častica zo štandardného modelu častíc (spolu s gravitónom), ktorá ešte nebola pozorovaná.


Antihmota je časť hmoty, ktorá je zložená z antičastíc (napríklad antiprotónov a pozitrónov), namiesto častíc (protónov a elektrónov). Každá častica hmoty má svoju antičasticu. Častice antihmoty majú opačný elektrický náboj než častice hmoty, pričom hmotnosť a spin sú rovnaké.

Pri stretnutí hmoty s antihmotou sa môžu stať dve veci. Môže dôjsť k pružnému (elektrickému) rozptylu, pri ktorom sa obe častice rozptýlia rôznymi smermi. V druhom prípade dôjde k nepružnému rozptylu: - anihilácii. Anihilácia je proces, pri ktorom obe formy hmoty zaniknú a premenia sa na iné formy energie (častice poľa, napr. fotóny) v súlade s rovnicou E = mc². V počiatočných štádiách Veľkého tresku vznikali veľké množstvá hmoty a antihmoty. Všetka vzniknutá antihmota však anihilovala s väčšou časťou hmoty. Vedci dodnes nevedia presne vysvetliť, prečo nastala nesymetria vo vzniknutých množstvách hmoty a antihmoty a prečo prevážila hmota. Vďaka tejto nesymetrii sa vo vesmíre nachádza hmota.

Je to najsilnejší zo známych zdrojov energie. Uvoľňuje energiu so stopercentnou účinnosťou (jadrové štiepenie je účinné iba na 1,5 %). Antihmota nespôsobuje znečistenie ani radiáciu a jedna jej kvapka by mohla zásobovať New York energiou celý deň.

Keďže všetka antihmota na Zemi okamžite reaguje na hmotu, treba držať tieto záporne nabité častice vo vákuu, aby nedošlo k žiadnemu kontaktu s iným materiálom, či so vzduchom. Ak dôjde ku kontaktu, nastáva spomínaná anihilácia.