Grunnleggende om elementær partikkelfysikk

Konseptet med grunnleggende, udelelige partikler går tilbake til gamle grekere (et konsept kjent som "atomisme"). På 1900-tallet begynte fysikere å utforske hendelsene på de minste stoffnivåene, og blant deres mest oppsiktsvekkende moderne funn var mengden av forskjellige partikler i universet. Kvantefysikk spår 18 typer elementære partikler, og 16 er allerede eksperimentelt påvist. Elementær partikkelfysikk har som mål å finne de resterende partiklene.

Standardmodellen for partikkelfysikk, som klassifiserer elementære partikler i flere grupper, er kjernen i moderne fysikk. I denne modellen er tre av fire fysiske krefter er beskrevet, sammen med målebosoner, partiklene som medierer disse kreftene. Selv om tyngdekraften ikke teknisk er inkludert i standardmodellen, jobber teoretiske fysikere for å utvide modellen til å omfatte og forutsi a kvanteteori om gravitasjon.

Hvis det er en ting som partikkelfysikere ser ut til å like, er det å dele opp partikler i grupper. Elementære partikler er de minste bestanddelene av materie og energi. Så vidt forskere kan fortelle, ser de ikke ut til å være laget av kombinasjoner av mindre partikler.

Alle elementære partikler i fysikken er klassifisert som enten fermioner eller bosoner. Kvantefysikk viser at partikler kan ha en egen ikke-null "spinn" eller kantet fart, assosiert med dem.

En fermion (oppkalt etter Enrico Fermi) er en partikkel med et halvt heltallspinn, mens en boson (oppkalt etter Satyendra Nath Bose) er en partikkel med et helt tall eller heltallsspinn. Disse spinnene resulterer i forskjellige matematiske anvendelser i spesielle situasjoner. Enkel matematikk for å legge til heltall og halvtall viser følgende:

• Ved å kombinere et odde antall fermioner resulterer det i en fermion fordi den totale spinningen fremdeles vil være en halv heltallsverdi.
• Å kombinere et jevnt antall fermioner resulterer i en boson fordi den totale spinningen resulterer i en heltallverdi.

Fermions har en partikkelsnurr som tilsvarer en halv heltallsverdi (-1/2, 1/2, 3/2, etc.). Disse partiklene utgjør saken som vi observerer i vårt univers. De to grunnleggende bestanddelene i saken er kvarker og leptoner. Begge disse subatomære partiklene er fermioner, så alle bosoner er laget av en jevn kombinasjon av disse partiklene.

Quarks er klassen for fermion som utgjør hadrons, som protoner og nøytroner. Kvarker er grunnleggende partikler som samvirker gjennom alle de fysiske grunnleggende kreftene: tyngdekraft, elektromagnetisme, svak interaksjon og sterkt samspill. Quarks eksisterer alltid i kombinasjon for å danne subatomære partikler kjent som hadroner. Det er seks forskjellige typer kvark:

• Bunn Quark
• Merkelig Quark
• Ned Quark
• Topp Quark
• Sjarm Quark
• Opp Quark

Leptoner er en type grunnleggende partikkel som ikke opplever sterk interaksjon. Det er seks leptonsorter:

• Electron
• Elektron Neutrino
• myon
• Muon Neutrino
• Tau
• Tau Neutrino

Hver av de tre "smakene" av lepton (elektron, muon og tau) er sammensatt av en "svak dublett", den nevnte partikkelen sammen med en tilnærmet masseløs nøytral partikkel kalt en nøytrino. Dermed er elektron-leptonet den svake dubletten til elektron og elektron-nøytrino.

Bosoner har en partikkelsnurr lik et helt tall (hele tall som 1, 2, 3 og så videre). Disse partiklene formidler de grunnleggende kreftene i fysikk under kvantefeltteorier.

• Photon
• W Boson
• Z Boson
• gluon
• Higgs Boson
• Graviton

Hadrons er partikler som består av flere bundne sammen kvarker slik at spinnet deres er en halvtallverdi. Hadrons er delt inn i -mesoner (som er bosoner) og baryoner (som er fermioner).

• -mesoner
• baryoner
• nukleoner
• Hyperoner: kortvarige partikler sammensatt av rare kvarker

Molekyler er komplekse strukturer sammensatt av flere atomer bundet sammen. Den grunnleggende kjemiske byggesteinen til materie, atomer er sammensatt av elektroner, protoner og nøytroner. Protoner og nøytroner er nukleoner, den typen baryon som til sammen danner den sammensatte partikkel som er kjernen i et atom. Studiet av hvordan atomer binder seg sammen for å danne forskjellige molekylære strukturer er grunnlaget for moderne kjemi.

Det kan være vanskelig å holde alle navnene rette i partikkelfysikken, så det kan være nyttig å tenke på dyreverdenen, der en slik strukturert navngivning kan være mer kjent og intuitiv. Mennesker er primater, pattedyr og også virveldyr. På samme måte er protoner nukleoner, baryoner, hadroner og også fermioner.

Den uheldige forskjellen er at begrepene har en tendens til å høres ut som hverandre. Forvirrende bosoner og baryoner, for eksempel, er langt enklere enn å forvirre primater og virvelløse dyr. Den eneste måten å virkelig holde disse forskjellige partikkelgruppene adskilt er å bare studere dem nøye og prøve å være forsiktig med hvilket navn som brukes.

Redigert av Anne Marie Helmenstine, ph.d.