Partikkelfysikk er grenen av fysikk som studerer de elementære komponentene i materie og interaksjonene mellom dem. [ 1 ] Denne grenen er også kjent som høyenergifysikk , fordi mange av disse partiklene bare kan sees i store kollisjoner forårsaket av partikkelakseleratorer . [ 2 ]
For tiden er elementærpartikler klassifisert i henhold til den såkalte standardmodellen i to store grupper: bosoner og fermioner . Bosoner har heltallsspinn (0, 1 eller 2) og er partiklene som interagerer med materie, mens fermioner har halvtallsspinn (1/2 eller 3/2) og er de bestanddelene av materie. Standardmodellen forklarer hvordan fundamentale interaksjoner i form av partikler (bosoner) samhandler med materiepartikler (fermioner). Dermed har elektromagnetisme sin partikkel kalt foton , den sterke kjernevekselvirkningen har gluonet , den svake kjernevekselvirkningen har W- og Z-bosonene, og tyngdekraften har en hypotetisk partikkel kalt graviton . Blant fermionene er det mer variasjon; Det er to typer: leptoner og kvarker . Til sammen inneholder standardmodellen 24 fundamentale partikler som utgjør materie (12 par partikler og deres tilsvarende antipartikler) sammen med tre familier av gauge bosoner som er ansvarlige for å transportere interaksjonene. [ 3 ]
De viktigste studiesentrene for partikler er Fermi National Laboratory eller Fermilab , i USA og European Centre for Nuclear Research eller CERN , på grensen mellom Sveits og Frankrike . I disse laboratoriene oppnås det å oppnå energier som ligner på de som antas å ha eksistert i Big Bang , og på denne måten prøver de å ha flere og flere bevis på universets opprinnelse . [ 4 ]
Mennesket har siden eldgamle tider forestilt seg at universet det lever i består av ulike elementer; for eksempel Empedocles i s. gå til C. postulerte at alt som eksisterer kunne oppnås fra blandingen av vann , jord , ild og luft . [ 5 ] Vi kan nevne Demokrit som den første som antydet eksistensen av atomer , som en slags udelelige elementer.
Vitenskapelige fremskritt på begynnelsen av 1900-tallet av Max Planck , Albert Einstein , Niels Bohr og andre førte til fødselen av kvantemekanikk . Den fotoelektriske effekten viste lysets kvantenatur for å forklare dets interaksjon med materie, og kalte lysets "kvante" et foton . Tre andre partikler som interagerer med materie, kalt bosoner , er for tiden kjent . For å forklare materiens struktur dukket det opp forskjellige atommodeller, som rundt 1930 var elektroner, protoner og nøytroner de grunnleggende bestanddelene i materie. Rundt 1960, takket være Murray Gell-Mann , er mer elementære bestanddeler for protoner og nøytroner, kvarker , forutsagt, hvorved de grunnleggende bestanddelene i materie blir kvarker , elektroner og nøytrinoer .
Partikkelfysikere har fra begynnelsen forsøkt å klassifisere kjente partikler og å beskrive all materie og dens interaksjoner. Gjennom fysikkens historie har det vært mange partikler som en gang ble definert som udelelige, for eksempel protoner og nøytroner, som senere har vist seg å være det. Etter ulike atom- og kjernefysiske teorier brukes den såkalte standardmodellen i dag for å beskrive materien som utgjør universet og dets interaksjoner.
I henhold til standardmodellen er det seks typer kvarker, seks typer leptoner og fire typer bosoner. Disse partiklene er delt inn i to store kategorier av Pauli eksklusjonsprinsippet : de som ikke er underlagt dette prinsippet er bosoner og de som er kalt fermioner . [ 6 ]
Bosoner er partikler som ikke tilfredsstiller Pauli eksklusjonsprinsippet , så to partikler kan oppta samme kvantetilstand . Ved svært lave temperaturer har de en tendens til å oppta det laveste energinivået, med alle partikler i samme kvantetilstand. [ 7 ] I 1924 postulerte Satyendra Nath Bose og Albert Einstein en statistisk modell, nå kjent som Bose–Einstein-statistikk , for molekyler ved temperaturer svært nær absolutt null ; den samme statistikken viser seg å gjelde for disse typer partikler også. [ 8 ]
Bosonene oppdaget til dags dato: [ 9 ]
Partikkel | Symbol | Masse (i GeV / c 2 ) | elektrisk ladning | snurre rundt | Interaksjon |
---|---|---|---|---|---|
Foton | 0 | 0 | 1 | elektromagnetisk | |
W boson | W ± | 80,4 | ±1 | 1 | svak |
Z boson | Z 0 | 91.187 | 0 | 1 | svak |
Gluon | g | 0 | 0 | 1 | sterk |
Higgs | H0 _ | 124,97 | 0 | 0 | partikkelmasse |
De matematiske teoriene som studerer fenomenene til disse partiklene er, når det gjelder kvantekromodynamikk , den sterke interaksjonen mellom gluoner og i tilfellet med kvanteelektrodynamikk er det den elektrosvake interaksjonen mellom fotoner og W- og Z-bosoner.
Fermioner er partikler med fraksjonert spinn, eller iboende vinkelmomentum, som er underlagt Pauli-eksklusjonsprinsippet. Med andre ord kan ikke to partikler være i samme kvantetilstand i samme øyeblikk. Distribusjonen er styrt av Fermi–Dirac-statistikk ; derav navnet. [ 10 ]
Fermioner er i utgangspunktet partikler av materie, men i motsetning til bosoner er ikke alle fermioner elementærpartikler. Det klareste tilfellet er protoner og nøytroner ; disse partiklene er fermioner, men de er sammensatt av kvarker , som på vårt nåværende kunnskapsnivå anses som elementære.
Fermioner er delt inn i to grupper: kvarker og leptoner. Denne forskjellen gjelder fordi leptoner kan eksistere isolert, i motsetning til kvarker, som alltid er i nærvær av andre kvarker. [ 11 ] Grupper av kvarker kan ikke ha fargeladning fordi gluonene som binder dem har fargeladning. De grunnleggende egenskapene til disse partiklene finner du her: [ 9 ]
Fermion type | Navn | Symbol | elektromagnetisk ladning |
Svak ladning * | fargebelastning _ |
Deig |
---|---|---|---|---|---|---|
lepton | ||||||
Elektron | e- _ | -1 | -1/2 | 0 | 0,511 MeV / c² _ | |
muon | - | -1 | -1/2 | 0 | 105,6 MeV / c² _ | |
Tauon | - | -1 | -1/2 | 0 | 1784 GeV / c² _ | |
elektronisk nøytrino | og | 0 | +1/2 | 0 | < 50eV / c² _ | |
myonnøytrino | 0 | +1/2 | 0 | < 0,5 MeV / c² | ||
Tauonisk nøytrino | 0 | +1/2 | 0 | < 70 MeV / c² | ||
kvarker | ||||||
opp | eller | +23 | +1/2 | R/G/B | ~ 5 MeV / c² | |
sjarm | c | +23 | +1/2 | R/G/B | ~1,5 GeV / c² | |
topp | du | +23 | +1/2 | R/G/B | > 30GeV / c² _ | |
ned | d | -1/3 | -1/2 | R/G/B | ~ 10MeV / c² _ | |
rar | s | -1/3 | -1/2 | R/G/B | ~ 100MeV / c² _ | |
bunn | b | -1/3 | -1/2 | R/G/B | ~ 4,7 GeV / c² |
Partiklene er gruppert i generasjoner . Det er tre generasjoner:
Partikkelfysikere kaller hadroner partikler som er bygd opp av mer elementære . Hadroner består av kvarker, antikvarker og gluoner. Den elektriske ladningen til hadroner er et heltall, så summen av ladningen til kvarkene som utgjør dem må være et heltall. [ 12 ]
Den sterke interaksjonen er den som dominerer i hadroner, selv om de elektromagnetiske og svake interaksjonene også manifesteres. [ 13 ] Fargeladede partikler samhandler via gluoner; kvarker og gluoner, som er fargeladet, er begrenset til å holde sammen i en nøytral fargeladet partikkel. [ 14 ] Den teoretiske formuleringen av disse partiklene ble gjort samtidig og uavhengig av Murray Gell-Mann og George Zweig i 1964, i den såkalte kvarkmodellen . Denne modellen har mottatt en rekke eksperimentelle bekreftelser siden den gang.
Hadroner er delt inn i to klasser av partikler, baryoner og mesoner.
Baryoner er partikler som inneholder tre kvarker, noen gluoner og noen antikvarker. De mest kjente baryonene er nukleonene ; det vil si protonene og nøytronene , i tillegg til andre mer massive partikler kjent som hyperoner . [ 15 ] Innenfor baryonene er det sterk interaksjon mellom kvarkene gjennom gluonene, som bærer den sterke interaksjonen. Siden gluoner har en fargeladning, endrer partiklene som inneholder dem raskt fargeladning i baryoner, men baryonet som helhet forblir fargenøytralt. [ 16 ]
Baryoner er også fermioner, så spinnverdien deres er 1/2, 3/2,... Som alle partikler har baryoner sin antimateriepartikkel kalt antibaryon, som er dannet ved foreningen av tre antikvarker. [ 16 ] Bortsett fra nukleoner er de fleste baryoner ustabile. [ 15 ]
Mesoner er partikler som består av en kvark, en antikvark, og partikkelen som binder dem, gluonet. Alle mesoner er ustabile; Til tross for dette kan de isoleres fordi fargeladningene til kvarken og antikvarken er motsatte, og får en meson med en nøytral fargeladning. Mesonene er også bosoner, siden summen av spinnene til kvark-antikvarken deres pluss bidraget fra bevegelsen til disse partiklene er et heltall. [ 17 ] Mesonen er også kjent for å ha sterke, svake og elektromagnetiske interaksjoner. [ 15 ]
Denne gruppen inkluderer pion , kaon , J/ψ og mange andre. Eksotiske mesoner kan også eksistere , selv om det ikke er noen eksperimentelle bevis for dem.
Blant hovedpartiklene som er teoretisk antatt og ennå ikke er bekreftet av noe eksperiment i 2008 , er:
Supersymmetri - teorien foreslår eksistensen av superpartner-partikler av de nåværende eksisterende partiklene. [ 22 ] Således, blant de mest fremragende vi har:
I henhold til deres masse og oppnåelige hastighetsområde, kan hypotetiske (og reelle) partikler klassifiseres i:
Feltligningene til fysikk av kondensert materie er veldig like de for partikkelfysikk. Derfor kan mye av teorien om partikkelfysikk brukes på fysikken til kondensert materie, og tilordne hvert felt eller eksitasjon av det en modell som inkluderer "kvasipartikler". Er inkludert:
De viktigste partikkelfysikklaboratoriene i verden er:
Dette er hovedlaboratoriene, men det er mange flere.