Daļiņu fizikas pamati

Jēdziens par pamata, nedalāmām daļiņām atgriežas pie senie grieķi (jēdziens, kas pazīstams kā "atomisms"). 20. gadsimtā fiziķi sāka izpētīt notikumus vismazākajos matērijas līmeņos, un viens no viņu satriecošākajiem mūsdienu atklājumiem bija dažādu daļiņu daudzums Visumā. Kvantu fizika prognozē 18 elementāro daļiņu veidus, un 16 jau ir eksperimentāli atklāti. Daļiņu fizikas mērķis ir atrast atlikušās daļiņas.

Daļiņu fizikas standarta modelis, kas elementārās daļiņas iedala vairākās grupās, ir mūsdienu fizikas pamatā. Šajā modelī trīs no četri fizikas pamat spēki ir aprakstīti kopā ar gabarītu bozoniem, daļiņas, kas darbojas starp šiem spēkiem. Lai arī gravitācija nav tehniski iekļauta standarta modelī, teorētiskie fiziķi strādā pie tā, lai paplašinātu modeli, iekļaujot un paredzot a gravitācijas kvantu teorija.

Ja šķiet, ka daļiņu fiziķiem patīk viena lieta, tas ir daļiņu sadalīšana grupās. Elementārās daļiņas ir mazākās matērijas un enerģijas sastāvdaļas. Cik zinātnieki var pateikt, šķiet, ka tie nav izgatavoti no mazāku daļiņu kombinācijām.

Visas fizikālajā elementārdaļiņas tiek klasificētas kā abas fermions vai bozoni. Kvantu fizika pierāda, ka daļiņām var būt raksturīgs "grieziens", kas nav nulle, vai leņķiskais impulss, kas saistīti ar viņiem.

Fermions (nosaukts pēc Enriko Fermi) ir daļiņa ar vesela skaitļa griezumu, savukārt bozons (nosaukts pēc Satyendra Nath Bose) ir daļiņa ar veselu skaitli vai veselu vijumu. Šie griezieni rada atšķirīgu matemātisko pielietojumu konkrētās situācijās. Veselu skaitļu un veselu skaitļu pievienošanas vienkāršā matemātika parāda sekojošo:

• Apvienojot nepāra skaitu fermionu, tiek iegūts fermions, jo kopējais grieziens joprojām būs puse vesels skaitlis.
• Apvienojot pāra skaitu fermionu, tiek iegūts bozons, jo kopējais griešanās rezultāts ir vesels skaitlis.

Fermioniem ir daļiņu griešanās, kas vienāda ar vesela skaitļa vērtību (-1/2, 1/2, 3/2 utt.). Šīs daļiņas veido lietu, kuru mēs novērojam savā Visumā. Divas matērijas galvenās sastāvdaļas ir kvarki un leptoni. Abas šīs subatomiskās daļiņas ir fermioni, tāpēc visi bozoni tiek veidoti no šo daļiņu vienmērīgas kombinācijas.

Kvarki ir fermiona klase, kas veido hadronus, piemēram, protoni un neitroni. Kvarki ir pamatdaļiņas, kas mijiedarbojas ar visiem četriem fizikas pamat spēkiem: smagumu, elektromagnētisms, vāja mijiedarbība un spēcīga mijiedarbība. Kvarki vienmēr pastāv kombinācijā, veidojot subatomiskas daļiņas, kuras sauc par hadroniem. Pastāv seši atšķirīgi kvarka veidi:

• Apakšā biezpiena
• Dīvainā biezpiena
• Leju biezpiena
• Augstākā biezpiena
• Charm Quark
• Up Quark

Leptoni ir pamata daļiņu veids, kas nepiedzīvo spēcīgu mijiedarbību. Ir sešas leptona šķirnes:

• Elektrons
• Elektronu neitrino
• Mēons
• Muons Neutrino
• Tau
• Tau Neutrino

Katru no trim leptona (ar elektronu, muonu un tau) “garšām” veido “vāja dubleta”, iepriekšminētā daļiņa kopā ar praktiski bezspēcīgu neitrālu daļiņu, ko sauc par neitrīno. Tādējādi elektronu leptons ir vājš elektronu un elektronneitrīno dublets.

Bosoniem ir daļiņu griešanās, kas vienāda ar veselu skaitli (veseli skaitļi, piemēram, 1, 2, 3 un tā tālāk). Šīs daļiņas meditē fizikas pamat spēkus kvantu lauka teorijās.

• Fotons
• W Bosons
• Z Bosons
• Gluons
• Higss Bosons
• Gravitons

Hadroni ir daļiņas, kas sastāv no vairākiem savstarpēji saistītiem kvarkiem tā, ka to spin ir puse no vesela skaitļa. Hadronus iedala mezoni (kas ir bozoni) un baroni (kas ir fermioni).

• Mesons
• Baroni
• Kodoli
• Hiperoni: īslaicīgas daļiņas, kas sastāv no dīvainiem kvarkiem

Molekulām ir sarežģītas struktūras, kas sastāv no vairākiem atomiem, kas savienoti kopā. Matērijas ķīmiskais pamatbūve, atomi, sastāv no elektroniem, protoniem un neitroniem. Protoni un neitroni ir nukleoni, tāda veida baroni, kas kopā veido salikto daļiņu, kas ir atoma kodols. Pētījums par to, kā atomi savienojas, veidojot dažādas molekulārās struktūras, ir mūsdienu pamats ķīmija.

Daļiņu fizikā var būt grūti saglabāt visus nosaukumus taisni, tāpēc varētu būt noderīgi domāt par dzīvnieku pasauli, kur šāda strukturēta nosaukšana varētu būt pazīstamāka un intuitīvāka. Cilvēki ir primāti, zīdītāji un arī mugurkaulnieki. Līdzīgi protoni ir nukleoni, baroni, hadroni un arī fermioni.

Neveiksmīgā atšķirība ir tā, ka termini mēdz izklausīties līdzīgi viens otram. Piemēram, sajaukt bozonus un baronus ir daudz vieglāk nekā sajaukt primātus un bezmugurkaulniekus. Vienīgais veids, kā šīs atšķirīgās daļiņu grupas patiešām saglabāt atsevišķas, ir tikai rūpīgi izpētīt tās un mēģināt būt uzmanīgiem attiecībā uz to, kurš nosaukums tiek izmantots.

Rediģēja Anne Marie Helmenstine, Ph.