CZĄSTKI FUNDAMENTALNE, CZĄSTKI ELEMENTARNE
Na początku XX wieku uważano, że cały
wszechświat zbudowany jest z 92 pierwiastków atomowych. Później odkryto, iż
atomy zbudowane są z jądra i krążących wokół niego elektronów. W następnym
etapie poznawania struktury wszechświata okazało się, że owe jądro składa
się z jeszcze mniejszych cegiełek – protonów i neutronów. Dalsze odkrycia
ujawniły istnienie wielu innych cząstek elementarnych i jak uważano wówczas
nie posiadających wewnętrznej struktury takich jak: bariony, mezony, leptony
oraz tak zwane cząstki rezonansowe. Już w latach sześćdziesiątych XX wieku znanych było ponad 100 cząstek
elementarnych, a w chwili obecnej znanych jest kilkaset. Fakt istnienia tylu cząstek
elementarnych i występowania regularności między nimi doprowadził uczonych
do hipotezy, że owe cząstki elementarne w istocie nimi nie są, lecz składają
się z jeszcze mniejszych cząstek – cząstek fundamentalnych. I tak pojawił
się model kwarków (zwany również Modelem
Standardowym) jako składników
protonu, neutronu, barionów, mezonów oraz wszystkich cząstek rezonansowych.
Mimo ewidentnego potwierdzenia eksperymentalnego istnienia struktury cząstek
elementarnych, ze względów historycznych nadal wykorzystuje się nazwę cząstki
elementarne do określenia tej grupy cząstek. (10)
Cząstki fundamentalne dzielimy na dwie podstawowe grupy (rys. 2.2.1). Pierwszą grupę stanowią cząstki materii - na którą składają się leptony oraz kwarki, zaś drugą grupę stanowią nośniki oddziaływań.
Leptony – fundamentalne cząstki elementarne, fermiony o spinie 1/2 (w
jednostkach stałej Plancka), nie oddziałujące
silnie, ale oddziałujące słabo
za pośrednictwem bozonów ,
i
. Niektóre
leptony (np.: elektron) oddziałują
elektromagnetycznie. Leptony
grupuje się w trzy generacje scharakteryzowane odpowiadającą im liczbą
leptonową (rys. 2.2.2).
,
drugą (mionowa liczba leptonowa
)
mion
(około 200 razy cięższy od elektronu, jego masa
spoczynkowa wynosi 105,7
) i neutrino mionowe
, trzecią (taonowa
liczba leptonowa
)
taon
(najcięższy znany lepton o masie spoczynkowej
1777
) i neutrino
taonowe
.
Analogiczne generacje można utworzyć z odpowiednich antyleptonów przy
zamianie wartości liczb leptonowych i ładunków na przeciwne. Liczby
kwantowe poszczególnych leptonów podane są w tabeli poniżej. (4),
(10)
Kwarki
- fundamentalne cząstki elementarne oddziałujące silnie oraz słabo i
elektromagnetycznie. Są fermionami o spinie 1/2 (w jednostkach stałej Plancka),
posiadają ułamkowe ładunki elektryczne. Istnieje sześć rodzajów kwarków
zwanych zapachami: górny - u, dolny - d, dziwny - s, powabny - c, piękny - b
oraz prawdziwy - t. Podobnie jak w przypadku leptonów wyróżnia się trzy
generacje kwarków: I generacja - u i d, II generacja - c i s i III generacja -
t i b (rys. 2.2.4). Analogiczne generacje można utworzyć z odpowiednich
antykwarków zamieniając wartości odpowiednich liczb kwantowych na przeciwne.
Ponadto każdy kwark może występować w jednym z trzech kolorów -
stanów ładunkowych ładunku oddziaływań silnych. Teorią, która opisuje ten
sposób oddziaływań jest chromodynamika
kwantowa. Kwarki oddziałują
wzajemnie poprzez wymianę gluonów, które są nośnikami oddziaływań silnych
kolorowych. Niemożliwe
jest zaobserwowanie swobodnych kwarków, występują one jedynie w stanach związanych
neutralnych kolorowo. Z kwarków zbudowane są wszystkie bariony oraz mezony (bariony posiadają
trzy kwarki, antybariony trzy antykwarki, zaś mezony zbudowane są z pary
kwark-antykwark). Poniżej w tabeli podano liczby kwantowe kwarków poszczególnych
zapachów. (4), (10)
Nośniki oddziaływań zwane też bozonami pośredniczącymi, są to cząstki o spinie całkowitym,
za pośrednictwem których cząstki materii mogą ze sobą oddziaływać. Foton
jest
trwałą bezmasową cząstką o nieskończonym zasięgu, która bierze udział
jedynie w oddziaływaniach elektromagnetycznych. Bozony
,
,
posiadające dużą masę (mw=82
, mz=92
)
są nośnikami oddziaływań słabych działających na bardzo małych odległościach
. Gluony g przenoszą oddziaływania
silne, których zasięg jest rzędu
. Zapewniają wiązanie
kwarków w hadrony (bariony i mezony), dzięki czemu istnieje
stabilne jądro
atomowe. Gluony mają masę równą zeru i występują w ośmiu odmianach ze
względu na to, iż przenoszą kolor i antykolor. Cząstką przenoszącą oddziaływania
grawitacyjne (oddziaływań tych nie wyjaśnia Model Standardowy) jest grawiton.
Jednakże jest to cząstka hipotetyczna, gdyż nigdy nie została zaobserwowana.
(4),
(10)
Cząstki elementarne, jak już wcześniej wspomniano, posiadają strukturę wewnętrzną. Zbudowane są z jeszcze mniejszych cząstek – kwarków, jednak ze względów historycznych nazywane są dalej cząstkami elementarnymi. Cząstki elementarne dzielimy na dwie rodziny: są nimi bariony i mezony. Odkryty ostatnio pentakwark należałby już do kolejnej trzeciej rodziny cząstek elementarnych. Przed pojawieniem się modelu kwarków za cząstki elementarne uważano również leptony oraz bozony pośredniczące (rys. 2.2.6).
,
,
,
,
)
oraz odpowiadające im antycząstki. Bariony grupuje się w ścieżkę ośmiokrotną, która
jest schematem klasyfikacji dla cząstek elementarnych (rys. 2.2.7).
(4),
(10)
Mezony
– hadrony o zerowych
liczbach barionowej i leptonowej, są bozonami o spinie równym 0, 1
(w jednostkach stałej Plancka), zbudowane są z pary kwark – antykwark.
Zazwyczaj mezony danego typu występują w kilku stanach ładunkowych (obojętne,
ujemnie lub dodatnio naładowane). Mezony jednakowego typu, ale o przeciwnych
ładunkach są wzajemnie swoimi antycząstkami, zaś mezony neutralne bywają
swoimi własnymi antycząstkami. Pierwotnie terminem mezon określano każdą cząstkę o masie zawartej
pomiędzy masą elektronu a masą nukleonu (stąd nazwa mezony - cząstka o pośredniej
masie), wówczas błędnie stosowano ten termin również dla mionu. Obecnie
znanych jest kilkadziesiąt mezonów o masie większej od masy nukleonu, są
to stany wzbudzone lżejszych mezonów (rezonanse) oraz mezony posiadające cięższe
kwarki. Wszystkie mezony są cząstkami nietrwałymi, charakteryzują się
czasami życia od do
. Mezony, tak jak
bariony grupuje się w ścieżkę ośmiokrotną (rys. 2.2.8). (4),
(10)
Pentakwark – cząstka złożona z pięciu kwarków (dwóch górnych, dwóch
dolnych i antykwarka dziwnego), mająca masę 1,54, której istnienie jako pierwszy
przewidział polski fizyk Michał Praszałowicz w 1987 roku.
Pentakwarki są bardzo nietrwałe - rozpadają się na neutron oraz kaon po upływie
sekundy. Odkryty w 2003 roku pentakwark może okazać się
pierwszą z całej rodziny pięciokwarkowych cząstek. Odkrycia dokonały dwa
niezależne zespoły fizyków: Takashi Nakano w synchrotronie SPring-8 w pobliżu
Kobe (Japonia) oraz Kena Hicksa w akceleratorze laboratoriów Jeffersona w
Newport News (USA). (11)