Subatomski delci – vodnik: protoni, nevtroni, elektroni, kvarki

Subatomski delci – vodnik: odkrij protoni, nevtroni, elektroni in kvarki, njihove lastnosti, vloge in pomen v fiziki delcev.

Subatomski delec je delec, ki je manjši od atoma. To pomeni, da je zelo, zelo majhen. Tako kot atomi in molekule je tudi subatomski delec veliko premajhen, da bi ga lahko videli s prostim očesom. Zelo zanimiv je tudi za znanstvenike, ki poskušajo bolje razumeti atome. Pogosto preučevani subatomski delci so glavni delci, ki sestavljajo atome: protoni, nevtroni in elektroni. Raziskovanje subatomskih delcev se imenuje fizika delcev.

Te delce v atomu pogosto drži skupaj ena od štirih temeljnih sil (gravitacija, elektromagnetna sila, močna sila ali šibka sila). Zunaj atoma se delci pogosto gibljejo zelo, zelo hitro - blizu hitrosti svetlobe, ki je zelo, zelo velika (približno 300 000 kilometrov na sekundo).

Subatomske delce delimo v dve skupina, na barione in leptone.

Barioni so sestavljeni iz kvarkov, leptoni pa naj bi bili najmanjši delci, imenovani elementarni delci. Barioni imajo določeno barionsko število. V reakcijah se mora barionsko število ohraniti, kar pomeni, da morata imeti začetna in končna stran reakcije enako število barionov. Barionski delci so sestavljeni iz kombinacije treh od šestih kvarkov, ki so med najmanjšimi delci. Šest vrst kvarkov je: gor, dol (sestavljajo protone in nevtrone), čudni, očarljivi, zgornji in spodnji.

Leptoni so na splošno veliko manjši od barionov. V to kategorijo spadajo elektroni, mioni, tausi in nevtrini. Leptoni niso sestavljeni iz kvarkov in niso deljivi.

Za vsako od teh vrst obstaja tudi antidelec. Antidelci imajo enako maso kot običajni delci, le da imajo nasprotni električni naboj. Antimaterija in snov ne moreta obstajati v bližini druga druge. Kadar koli snov in antimaterija trčita, se uničita z velikim sproščanjem energije, ki je enaka E=mc2, kjer je m skupna masa delcev, c svetlobna hitrost, E pa proizvedena energija. Ti trki pogosto potekajo v velikih pospeševalnikih delcev, kjer je mogoče energijo pretvoriti v drugo smer, v snov, z isto enačbo. Tako lahko nastane veliko nenavadnih, pogosto težkih (velike mase) delcev, ki obstajajo le kratek čas.

Večina odkritih delcev nastane s pospeševanjem delcev in njihovim trčenjem ob druge delce, pri čemer nastanejo ogromni curki novih subatomskih delcev, ki izredno hitro razpadejo. Ker pa se delci gibljejo blizu hitrosti svetlobe, postanejo pomembni zakoni posebne relativnosti in pride do dilatacije časa. To pomeni, da čas za delce teče počasneje, zato lahko potujejo (in jih lahko izmerimo) na daljši razdalji, kot bi predvidevala znanost, ki ne temelji na relativnosti.

Kaj pomeni, da je delec subatomski?

Subatomski delci so delci, katerih velikost in notranja struktura so manjše od atoma. Tipične razdalje so reda femtometrov (1 fm = 10−15 m) ali manj. Nekateri subatomski delci so sestavljeni (imajo notranjo zgradbo), drugi pa so elementarni — torej nimajo notranjih sestavnih delov v trenutno veljavnem modelu. Masa delcev se pogosto izraža v enotah elektronskevoltov deljene s kvadratom hitrosti svetlobe (MeV/c2, GeV/c2) in se razlikuje zelo močno: npr. elektron ima maso približno 0,511 MeV/c2, proton pa približno 938 MeV/c2.

Fermioni in bozonii — osnovna delitev

Subatomski delci se ločijo tudi po kvantu spina:

• Fermioni (spin polovičen, npr. 1/2) — mednje spadajo kvarki in leptoni; sledijo Paulijevemu izključitvenemu zakonu.
• Bozoni (cel številčni spin) — prenašalci sil in nekateri sestavljeni delci (npr. mezoni); omogočajo silne in elektromagnetne interakcije.

Kvarki in barioni — kako nastanejo protoni in nevtroni

Kvarki so elementarni delci, ki nosijo delčne električne naboje in posebno lastnost, imenovano barva (color charge), pomembno v močni interakciji. Kvarki se ne pojavljajo prosto v naravi zaradi fenomena konfiniranosti — vedno so vezani v sestavljene delce (hadronih). Glavne točke:

• Obstaja šest okusov (flavors) kvarkov: gor (up), dol (down), čudni (strange), očarljivi (charm), zgornji (top) in spodnji (bottom).
• Električni naboj kvarkov: gor/zgornji +2/3 e, dol/spodnji −1/3 e. Proton je sestavljen iz kvarkov uud (dva gor, en dol) in ima neto naboj +1 e; nevtron je udd in je električno nevtralen.
• Barioni so hadroni, sestavljeni iz treh kvarkov (npr. proton, nevtron). Obstajajo tudi mezoni (kvark+antikovark).

Leptoni — elektroni, mioni, tasi in nevtrini

Leptoni so elementarni fermioni, ki niso sestavljeni iz kvarkov. Najpogostejši so elektroni, ki krožijo okoli jedra in določajo kemične lastnosti atomov. Drugi leptoni vključujejo:

• Mion (μ) — težji sorodnik elektrona, nestabilen, razpade v elektrone in nevtrine.
• Tau (τ) — še težji, prav tako nestabilen.
• Nevtrini — zelo lahki, nevtralni delci, ki slabo reagirajo z materijo in pogosto preletijo ogromne količine snovi, ne da bi bili zaustavljeni.

Za vsako vrsto leptonov obstaja pripadajoče antidelec (npr. pozitron je antidelec elektrona).

Sile in njihovi prenašalci

Subatomske delce med seboj vežejo štiri temeljne sile. V kvantnem opisu jih prenašajo posebni bozonii:

• Elektromagnetna sila — prenaša jo foton (γ); deluje med nabitimi delci.
• Močna (silo jedrska) sila — prenašajo jo gluoni; veže kvarke znotraj protonov, nevtronov in drugih hadronov. Gluoni nosijo barvni naboj in obstaja več vrst (osmerica gluonov).
• Šibka sila — prenašajo jo W+ , W− in Z0 bozon; odgovorna je za nekatere oblike radioaktivnega razpada in spreminjanje okusa kvarkov (npr. β-razpad).
• Gravitacija — v kvantnem okviru bi jo prenašal hipotetični graviton, vendar kvantna teorija gravitacije ni dokončno sestavljena in gravitacija je pri subatomskih procesih izredno šibka v primerjavi z ostalimi silami.

Antimaterija in ohranitvene zakonitosti

Za vsak delec obstaja antidelec z enako maso in nasprotnim električnim nabojom (če ima naboj). Ko delca in antidelca trčita, se lahko anihilirata, pri čemer se masa pretvori v energijo po E=mc2. Pri takšnih reakcijah veljajo številni ohranitveni zakoni, pomembni za razumevanje rezultatov:

• ohranitev energije in gibalne količine,
• ohranitev električnega naboja,
• ohranitev barionskega in lepotonskega števila (v večini reakcij),
• ohranitev kvantnih števil kot so spin, barva (v močnih interakcijah) in druge simetrije.

Kako odkrivamo subatomske delce

Delce zaznavamo posredno s sledmi in signali, ki jih povzročijo v detektorjih. Nekatere tehnike in naprave:

• odobni sledi v oblačnih ali mehurčastih komorah (zgodnejše metode),
• sodobni delci detektorji: sledilniki (silicijevi senzorji), časovno-proporcionalne komore, scintilatorji, kalorimetri (merijo energijo) in Čerenkovovi detektorji,
• veliki kompleksni sistemi, kot sta ATLAS in CMS v LHC, ki združujejo več poddetektorjev za rekonstrukcijo trkov in identifikacijo delcev.

Pospeševalniki delcev in nastanek novih delcev

V pospeševalnikih delcev (npr. obročni LHC) se delci pospešijo skoraj do hitrosti svetlobe in se medsebojno trčijo. Velika kinetična energija pri trkih se lahko spremeni v maso in tako ustvarja težke delce, ki jih sicer v naravi redko srečamo. Ti delci so pogosto zelo nestabilni in hitro razpadejo v lažje produkte; zato eksperimentalci merijo razpadne verige in energije, da identificirajo prvotni delce.

Vpliv posebne relativnosti

Ker se delci premikajo z relativističnimi hitrostmi, moramo upoštevati posebne relativnosti: časovna dilatacija podaljša učinkovit čas življenja hitrih nestabilnih delcev v laboratorijskem okviru, relativistična masa/energija pa vpliva na razpoložljive reakcijske kanale. To omogoča opazovanje delcev, ki bi pri nižjih energijah razpadli prehitro, da bi jih lahko zaznali.

Zaključek — zakaj so subatomski delci pomembni

Preučevanje subatomskih delcev nam daje vpogled v osnovne gradnike materije in sile, ki oblikujejo vesolje. Pokriva vprašanja, od sestave atomskih jeder in stabilnosti snovi do nastanka mas (vključno z vlogo Higgsovega polja), narave temne snovi in zlivanja kvantne mehanike z gravitacijo. Čeprav je veliko znanega, ostaja še veliko odprtih vprašanj, zaradi česar je fizika delcev še vedno aktivno in hitro razvijajoče se področje.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je subatomski delec?

V: Katere subatomske delce najpogosteje preučujemo?

V: Katere sile držijo skupaj atome?

V: Kako hitro se gibljejo subatomski delci?

V: Ali so barioni in leptoni različne vrste delcev?

V: Ali imajo antidelci nasprotni električni naboj v primerjavi z običajnimi delci?

Išči po črki