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

 

 

        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).

 

 

Pierwszą generację (elektronowa liczba leptonowa Le) stanowi elektron e- i neutrino elektronowe , 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

        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).

 

 

Bariony – hadrony posiadające niezerową liczbę barionową B, są fermionami o spinie 1/2, 3/2 (w jednostkach stałej Plancka), zbudowane są z trzech kwarków (antybariony z trzech antykwarków). Barionami są między innymi proton, neutron, hiperony (np.: , , , , ) 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)