Osnovni delec
V fiziki je elementarni delec ali osnovni delec delec, ki ni sestavljen iz drugih delcev.
Elementarni delec je lahko ene od dveh skupin: fermion ali bozon. Fermioni so gradniki snovi in imajo maso, medtem ko se bozoni obnašajo kot nosilci sil za fermionske interakcije in nekateri med njimi nimajo mase. Standardni model je najbolj sprejet način razlage obnašanja delcev in sil, ki vplivajo nanje. V skladu s tem modelom se osnovni delci nadalje delijo na kvarke, leptone in merilne bozone, pri čemer ima Higgsovbozon poseben status, saj ni merilni bozon.
Med delci, ki sestavljajo atom, je le elektron elementarni delec. Protoni in nevtroni so sestavljeni iz treh kvarkov, zato so sestavljeni delci, delci, ki so sestavljeni iz drugih delcev. Kvarki so med seboj povezani z gluoni. Jedro ima polja bozonov pionov, ki so odgovorna za močno jedrsko silo, ki veže protone in nevtrone proti elektrostatičnemu odboju med protoni. Takšni virtualni pioni so sestavljeni iz parov kvarki antikvarki, ki jih spet držijo skupaj gluoni.
Obstajajo tri osnovne lastnosti, ki opisujejo elementarni delec: masa", "naboj" in "spin". Vsaki lastnosti je pripisana številska vrednost. Za maso in naboj je lahko število enako nič. Na primer, foton ima ničelno maso, nevtrino pa ničelni naboj. Te lastnosti so za elementarne delce vedno enake.
- Mass: Delci imajo maso, če je za povečanje njihove hitrosti ali pospeševanje potrebna energija. V tabeli na desni strani je navedena masa vsakega osnovnega delca. Vrednosti so podane v MeV/c2s (to je megaelektronvolt na kvadrat "c"), torej v enotah energije na kvadrat svetlobne hitrosti. To izhaja iz posebne teorije relativnosti, ki pravi, da je energija enaka masi, pomnoženi s kvadratom svetlobne hitrosti. Vsi delci z maso povzročajo gravitacijo. Gravitacija vpliva na vse delce, tudi na delce brez mase, kot je foton (glej splošno relativnost).
- Električni naboj: Delci imajo lahko pozitivni ali negativni naboj ali pa ga nimajo. Če ima en delec negativni naboj, drugi delec pa pozitivnega, se delca privlačita. Če imata oba delca negativni naboj ali oba pozitivni naboj, se delca potiskata drug od drugega. Na kratkih razdaljah je ta sila veliko močnejša od gravitacijske sile, ki vse delce vleče skupaj. Elektron ima naboj -1. Proton ima naboj +1. Nevtron ima povprečni naboj 0. Normalni kvarki imajo naboj ⅔ ali -⅓.
- Spin: kotni moment ali konstantno vrtenje delca ima določeno vrednost, ki se imenuje njegovo spinsko število. Spin za elementarne delce je ena ali ½. Lastnost spina delcev označuje le prisotnost kotnega momenta. V resnici se delci ne vrtijo.
Masa in naboj sta lastnosti, ki ju vidimo v vsakdanjem življenju, saj gravitacija in elektrika vplivata na stvari, ki jih ljudje vidimo in se jih dotikamo. Spin pa vpliva le na svet subatomskih delcev, zato ga ne moremo neposredno opazovati.
Standardni model osnovnih delcev. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.
Fermioni
Fermioni (poimenovani po znanstveniku Enricu Fermiju) imajo spinsko število ½ in so kvarki ali leptoni. Obstaja 12 različnih vrst fermionov (brez antimaterije). Vsaka vrsta se imenuje "okus". Okusi so naslednji:
- Kvarki: navzgor, navzdol, čar, čudni, zgornji, spodnji. Kvarki so v treh parih, imenovanih "generacije". Prva generacija (gor in dol) je najlažja, tretja (gor in dol) pa najtežja. Po en član vsakega para (gor, čar in vrh) ima naboj ⅔. Drugi član (navzdol, čudaški in spodnji) ima naboj -⅓.
- Leptoni: elektron, mion, tauon, elektronski nevtrino, mionski nevtrino, tauonski nevtrino. Nevtrini imajo naboj 0, zato imajo predpono nevtr-. Drugi leptoni imajo naboj -1. Vsak nevtrino je poimenovan po ustreznem izvirnem leptonu: elektron, mion in tauon.
Šest od 12 fermionov naj bi trajalo večno: kvarki gor in dol, elektron in tri vrste nevtrinov (ki nenehno spreminjajo okus). Drugi fermioni razpadajo. To pomeni, da v delčku sekunde po nastanku razpadejo na druge delce. Fermijeva-Diracova statistika je teorija, ki opisuje, kako se obnašajo zbirke fermionov. V bistvu ne more biti več kot en fermion hkrati na istem mestu.
Bosoni
Bosoni, poimenovani po indijskem fiziku Satjendri Nathu Boseju, imajo spin 1. Čeprav je večina bozonov sestavljena iz več kot enega delca, obstajata dve vrsti osnovnih bozonov:
- Gauge bozoni: gluoni, W+in W-bozoni, Z0bozoni in fotoni. Ti bozoni prenašajo 3 od 4 osnovnih sil in imajo spinsko število 1;
- Gluon: Gluoni so delci brez mase in naboja, ki so nosilci interakcije močne sile. Skupaj s kvarki tvorijo sestavljene delce, imenovane hadroni, ki vključujejo protone in nevtrone.
- bozona W in Z: Bosona W in Z sta delca, ki prenašata šibko silo. Bozon W ima snovni delec (W+) in antimaterijski delec (W-), medtem ko je bozon Z svoj lastni antidelec. Bozon W nastane pri razpadu beta, vendar se skoraj takoj spremeni v nevtrino in elektron. Bozona W in Z sta bila odkrita leta 1983.
- Foton: Fotoni so delci brez mase in naboja, ki prenašajo elektromagnetno silo. Fotoni imajo lahko določeno frekvenco, ki določa, kakšno elektromagnetno sevanje so. Kot vsi drugi delci brez mase potujejo s svetlobno hitrostjo (300 000 km/s).
- Higgsov bozon: Fiziki menijo, da imajo masivni delci maso (to pomeni, da niso čisti snopi energije kot fotoni) zaradi Higgsove interakcije.
Foton in gluon nimata naboja in sta edina elementarna delca, ki imata zagotovo maso 0. Foton je edini bozon, ki ne razpada. Bose-Einsteinova statistika je teorija, ki opisuje obnašanje zbirk bozonov. Za razliko od fermionov je v istem prostoru hkrati mogoče imeti več kot en bozon.
Standardni model vključuje vse zgoraj opisane elementarne delce. Vsi ti delci so bili opazovani v laboratoriju.
Standardni model ne govori o gravitaciji. Če gravitacija deluje tako kot tri druge temeljne sile, potem gravitacijo prenaša hipotetični bozon, imenovan graviton. Gravitona še niso našli, zato ni vključen v zgornjo tabelo.
Prvi odkriti fermion, o katerem vemo največ, je elektron. Prvi odkriti bozon, o katerem vemo največ, je foton. Teorija, ki najnatančneje pojasnjuje delovanje elektrona, fotona, elektromagnetizma in elektromagnetnega sevanja, se imenuje kvantna elektrodinamika.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj so elementarni delci?
O: Elementarni delci so delci, ki niso sestavljeni iz drugih delcev.
V: V koliko skupin spadajo elementarni delci?
O: Elementarni delci lahko spadajo v eno od dveh skupin, fermione ali bozone.
V: Kaj je standardni model?
O: Standardni model je najbolj sprejet način razlage obnašanja delcev in sil, ki vplivajo nanje.
V: Kako so elementarni delci razvrščeni v skupine v skladu s standardnim modelom?
O: V skladu s standardnim modelom se osnovni delci delijo na kvarke, leptone in merilne bozone, pri čemer ima Higgsov bozon poseben status, saj ni merilni bozon.
V: Ali se protoni in nevtroni štejejo za elementarne delce?
O: Ne, protoni in nevtroni ne veljajo za elementarne delce, ker so sestavljeni iz treh kvarkov, kar pomeni, da so sestavljeni iz drugih manjših delcev.
V: Katere lastnosti opisujejo elementarni delec?
O: Obstajajo tri osnovne lastnosti, ki opisujejo elementarni delec: masa, naboj in spin - vsaki lastnosti je pripisana številčna vrednost.
V: Ali gravitacija vpliva na vse vrste delcev, tudi na tiste brez mase, kot so fotoni?
O: Da, vse vrste delcev, vključno s tistimi brez mase, kot so fotoni, zaradi splošne relativnosti doživljajo gravitacijo.
