Στοιχειώδες σωματίδιο
Στη φυσική, ένα στοιχειώδες σωματίδιο ή θεμελιώδες σωματίδιο είναι ένα σωματίδιο που δεν αποτελείται από άλλα σωματίδια.
Ένα στοιχειώδες σωματίδιο μπορεί να ανήκει σε μία από δύο ομάδες: ένα φερμιόνιο ή ένα μποζόνιο. Τα φερμιόνια είναι τα δομικά στοιχεία της ύλης και έχουν μάζα, ενώ τα μποζόνια συμπεριφέρονται ως φορείς δυνάμεων για τις αλληλεπιδράσεις των φερμιονίων και ορισμένα από αυτά δεν έχουν μάζα. Το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι ο πιο αποδεκτός τρόπος για να εξηγηθεί η συμπεριφορά των σωματιδίων και οι δυνάμεις που τα επηρεάζουν. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, τα στοιχειώδη σωματίδια ομαδοποιούνται περαιτέρω σε κουάρκ, λεπτόνια και μποζόνια μέτρου, με το μποζόνιοHiggs να έχει ένα ειδικό καθεστώς ως μη μποζόνιο μέτρου.
Από τα σωματίδια που απαρτίζουν ένα άτομο, μόνο το ηλεκτρόνιο είναι στοιχειώδες σωματίδιο. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται το καθένα από 3 κουάρκ, γεγονός που τα καθιστά σύνθετα σωματίδια, σωματίδια που αποτελούνται από άλλα σωματίδια. Τα κουάρκ συνδέονται μεταξύ τους με τα γκλουόνια. Ο πυρήνας έχει πεδία μποζονίων-πιονίων που είναι υπεύθυνα για την ισχυρή πυρηνική δύναμη που συνδέει τα πρωτόνια και τα νετρόνια ενάντια στην ηλεκτροστατική άπωση μεταξύ των πρωτονίων. Τέτοια εικονικά πιόνια αποτελούνται από ζεύγη κουάρκ-αντίκουάρκ που συγκρατούνται και πάλι από γκλουόνια.
Υπάρχουν τρεις βασικές ιδιότητες που περιγράφουν ένα στοιχειώδες σωματίδιο: "μάζα", "φορτίο" και "σπιν". Σε κάθε ιδιότητα αποδίδεται μια αριθμητική τιμή. Για τη μάζα και το φορτίο ο αριθμός μπορεί να είναι μηδέν. Για παράδειγμα, ένα φωτόνιο έχει μηδενική μάζα και ένα νετρίνο έχει μηδενικό φορτίο. Αυτές οι ιδιότητες παραμένουν πάντα ίδιες για ένα στοιχειώδες σωματίδιο.
- Mass: Ένα σωματίδιο έχει μάζα αν χρειάζεται ενέργεια για να αυξηθεί η ταχύτητά του ή για να επιταχυνθεί. Ο πίνακας στα δεξιά δίνει τη μάζα κάθε στοιχειώδους σωματιδίου. Οι τιμές δίνονται σε MeV/c2s (δηλαδή προφέρονται μεγαηλεκτρονιοβόλτ επί "c" στο τετράγωνο), δηλαδή σε μονάδες ενέργειας επί της ταχύτητας του φωτός στο τετράγωνο. Αυτό προέρχεται από την ειδική σχετικότητα, η οποία μας λέει ότι η ενέργεια ισούται με τη μάζα επί το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός. Όλα τα σωματίδια με μάζα παράγουν βαρύτητα. Όλα τα σωματίδια επηρεάζονται από τη βαρύτητα, ακόμη και σωματίδια χωρίς μάζα όπως το φωτόνιο (βλ. γενική σχετικότητα).
- Ηλεκτρικό φορτίο: Τα σωματίδια μπορεί να έχουν θετικό φορτίο, αρνητικό ή καθόλου. Εάν ένα σωματίδιο έχει αρνητικό φορτίο και ένα άλλο σωματίδιο έχει θετικό φορτίο, τα δύο σωματίδια έλκονται μεταξύ τους. Εάν τα δύο σωματίδια έχουν και τα δύο αρνητικό φορτίο ή και τα δύο έχουν θετικό φορτίο, τα δύο σωματίδια απομακρύνονται μεταξύ τους. Σε μικρές αποστάσεις, η δύναμη αυτή είναι πολύ ισχυρότερη από τη δύναμη της βαρύτητας, η οποία έλκει όλα τα σωματίδια μεταξύ τους. Ένα ηλεκτρόνιο έχει φορτίο -1. Ένα πρωτόνιο έχει φορτίο +1. Ένα νετρόνιο έχει μέσο φορτίο 0. Τα κανονικά κουάρκ έχουν φορτίο ⅔ ή -⅓.
- Σπιν: Η στροφορμή ή η σταθερή στροφή ενός σωματιδίου έχει μια συγκεκριμένη τιμή, που ονομάζεται αριθμός σπιν. Το σπιν για τα στοιχειώδη σωματίδια είναι ένα ή ½. Η ιδιότητα του σπιν των σωματιδίων δηλώνει μόνο την παρουσία στροφορμής. Στην πραγματικότητα, τα σωματίδια δεν περιστρέφονται.
Η μάζα και το φορτίο είναι ιδιότητες που βλέπουμε στην καθημερινή ζωή, επειδή η βαρύτητα και ο ηλεκτρισμός επηρεάζουν τα πράγματα που οι άνθρωποι βλέπουν και αγγίζουν. Αλλά το σπιν επηρεάζει μόνο τον κόσμο των υποατομικών σωματιδίων, οπότε δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα.
Καθιερωμένο μοντέλο στοιχειωδών σωματιδίων. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.
Φερμιόνια
Τα φερμιόνια (που πήραν το όνομά τους από τον επιστήμονα Ενρίκο Φέρμι) έχουν αριθμό σπιν ½ και είναι είτε κουάρκ είτε λεπτόνια. Υπάρχουν 12 διαφορετικοί τύποι φερμιονίων (χωρίς την αντιύλη). Κάθε τύπος ονομάζεται "γεύση". Οι γεύσεις είναι οι εξής:
- Κουάρκ: πάνω, κάτω, γοητευτικά, παράξενα, πάνω, κάτω. Τα κουάρκ υπάρχουν σε τρία ζεύγη, που ονομάζονται "γενιές". Η 1η γενιά (πάνω και κάτω) είναι η ελαφρύτερη και η τρίτη (πάνω και κάτω) είναι η βαρύτερη. Ένα μέλος κάθε ζεύγους (up, charm και top) έχει φορτίο ⅔. Το άλλο μέλος (κάτω, παράξενο και κάτω) έχει φορτίο -⅓.
- Λεπτόνια: ηλεκτρόνιο, μιόνιο, ταυ, νετρίνο ηλεκτρονίου, νετρίνο μιονίου, νετρίνο ταυ. Τα νετρίνα έχουν φορτίο 0, εξ ου και το πρόθεμα neutr-. Τα άλλα λεπτόνια έχουν φορτίο -1. Κάθε νετρίνο έχει πάρει το όνομά του από το αντίστοιχο αρχικό λεπτόνιο: ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυόνιο.
Έξι από τα 12 φερμιόνια πιστεύεται ότι διαρκούν για πάντα: τα κουάρκ, το ηλεκτρόνιο και τα τρία είδη νετρίνων (τα οποία αλλάζουν συνεχώς γεύση). Τα άλλα φερμιόνια διασπώνται. Δηλαδή, διασπώνται σε άλλα σωματίδια ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μετά τη δημιουργία τους. Η στατιστική Fermi-Dirac είναι μια θεωρία που περιγράφει πώς συμπεριφέρονται οι συλλογές φερμιονίων. Ουσιαστικά, δεν μπορείτε να έχετε περισσότερα από ένα φερμιόνια στο ίδιο μέρος την ίδια στιγμή.
Bosons
Τα μποζόνια, που πήραν το όνομά τους από τον Ινδό φυσικό Satyendra Nath Bose, έχουν σπιν 1. Αν και τα περισσότερα μποζόνια αποτελούνται από περισσότερα του ενός σωματίδια, υπάρχουν δύο είδη στοιχειωδών μποζονίων:
- Μποζόνια μέτρου: γκλουόνια, μποζόνιαW+και W-, μποζόνιαZ0 και φωτόνια. Αυτά τα μποζόνια μεταφέρουν 3 από τις 4 θεμελιώδεις δυνάμεις και έχουν αριθμό σπιν 1,
- Gluon: Είναι τα σωματίδια χωρίς μάζα και χωρίς φορτίο και είναι οι φορείς της αλληλεπίδρασης της ισχυρής δύναμης. Μαζί με τα κουάρκ ενώνονται για να δημιουργήσουν σύνθετα σωματίδια που ονομάζονται αδρόνια, στα οποία περιλαμβάνονται τα πρωτόνια και τα νετρόνια.
- μποζόνια W και Z: είναι σωματίδια που μεταφέρουν την ασθενή δύναμη. Το μποζόνιο W έχει ένα σωματίδιο ύλης (W+) και ένα σωματίδιο αντιύλης (W-), ενώ το μποζόνιο Ζ είναι το δικό του αντισωματίδιο. Το μποζόνιο W παράγεται κατά τη διάσπαση βήτα, αλλά σχεδόν αμέσως μετατρέπεται σε ένα νετρίνο και ένα ηλεκτρόνιο. Τα μποζόνια W και Z ανακαλύφθηκαν το 1983.
- Photon: Φωτόνια: Τα φωτόνια είναι σωματίδια χωρίς μάζα και χωρίς φορτίο που μεταφέρουν την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Τα φωτόνια μπορούν να έχουν ορισμένη συχνότητα που καθορίζει τι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι. Όπως όλα τα άλλα σωματίδια χωρίς μάζα, ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός (300.000 km/s).
- Μποζόνιο Higgs: (δηλαδή, δεν είναι καθαρές δέσμες ενέργειας όπως τα φωτόνια) λόγω της αλληλεπίδρασης Higgs.
Το φωτόνιο και τα γκλουόνια δεν έχουν φορτίο και είναι τα μόνα στοιχειώδη σωματίδια που έχουν μάζα 0 με βεβαιότητα. Το φωτόνιο είναι το μόνο μποζόνιο που δεν διασπάται. Η στατιστική Bose-Einstein είναι μια θεωρία που περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρονται οι συλλογές μποζονίων. Σε αντίθεση με τα φερμιόνια, είναι δυνατόν να υπάρχουν περισσότερα από ένα μποζόνια στον ίδιο χώρο ταυτόχρονα.
Το Καθιερωμένο Πρότυπο περιλαμβάνει όλα τα στοιχειώδη σωματίδια που περιγράφονται παραπάνω. Όλα αυτά τα σωματίδια έχουν παρατηρηθεί στο εργαστήριο.
Το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν μιλάει για τη βαρύτητα. Αν η βαρύτητα λειτουργεί όπως οι τρεις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις, τότε η βαρύτητα μεταφέρεται από το υποθετικό μποζόνιο που ονομάζεται βαρυτόνιο. Το βαρυτόνιο δεν έχει ακόμη βρεθεί, οπότε δεν περιλαμβάνεται στον παραπάνω πίνακα.
Το πρώτο φερμιόνιο που ανακαλύφθηκε και για το οποίο γνωρίζουμε τα περισσότερα, είναι το ηλεκτρόνιο. Το πρώτο μποζόνιο που ανακαλύφθηκε, και επίσης αυτό για το οποίο γνωρίζουμε τα περισσότερα, είναι το φωτόνιο. Η θεωρία που εξηγεί με μεγαλύτερη ακρίβεια το πώς λειτουργούν μαζί το ηλεκτρόνιο, το φωτόνιο, ο ηλεκτρομαγνητισμός και η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ονομάζεται κβαντική ηλεκτροδυναμική.
Ερωτήσεις και απαντήσεις
Ερ: Τι είναι τα στοιχειώδη σωματίδια;
A: Τα στοιχειώδη σωματίδια είναι σωματίδια που δεν αποτελούνται από άλλα σωματίδια.
Ερ: Σε πόσες ομάδες ανήκουν τα στοιχειώδη σωματίδια;
Α: Τα στοιχειώδη σωματίδια μπορούν να ανήκουν σε μία από δύο ομάδες, τα φερμιόνια ή τα μποζόνια.
Ε: Τι είναι το Καθιερωμένο Πρότυπο;
Α: Το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι ο πιο αποδεκτός τρόπος για να εξηγηθεί η συμπεριφορά των σωματιδίων και οι δυνάμεις που τα επηρεάζουν.
Ερ: Πώς ομαδοποιούνται τα στοιχειώδη σωματίδια σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο;
Α: Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο, τα στοιχειώδη σωματίδια ομαδοποιούνται περαιτέρω σε κουάρκς, λεπτόνια και μποζόνια σφυγμομέτρησης, με το μποζόνιο Higgs να έχει ειδικό καθεστώς ως μη μποζόνιο σφυγμομέτρησης.
Ερ: Τα πρωτόνια και τα νετρόνια θεωρούνται στοιχειώδη σωματίδια;
Α: Όχι, τα πρωτόνια και τα νετρόνια δεν θεωρούνται στοιχειώδη σωματίδια επειδή το καθένα αποτελείται από 3 κουάρκ, γεγονός που τα καθιστά σύνθετα σωματίδια - δηλαδή αποτελούνται από άλλα μικρότερα σωματίδια.
Ερ: Ποιες ιδιότητες περιγράφουν ένα στοιχειώδες σωματίδιο;
Α: Υπάρχουν τρεις βασικές ιδιότητες που περιγράφουν ένα στοιχειώδες σωματίδιο - μάζα, φορτίο και σπιν - σε κάθε ιδιότητα αποδίδεται μια αριθμητική τιμή.
Ερ: Η βαρύτητα επηρεάζει όλους τους τύπους σωματιδίων ακόμη και αυτά που δεν έχουν μάζα όπως τα φωτόνια;
Α: Ναι, όλοι οι τύποι σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που δεν έχουν μάζα όπως τα φωτόνια, υφίστανται τη βαρύτητα λόγω της γενικής σχετικότητας.
