Życie

Podstawy fizyki cząstek elementarnych

Podstawy fizyki cząstek elementarnych



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Jednym z najbardziej zaskakujących odkryć XX wieku była sama liczba cząstek we wszechświecie. Chociaż koncepcja fundamentalnych, niepodzielnych cząstek sięga starożytnych Greków (pojęcie znane jako atomizm), dopiero w 1900 roku fizycy zaczęli badać, co dzieje się w materii na najmniejszych poziomach.

W rzeczywistości fizyka kwantowa przewiduje, że istnieje tylko 18 rodzajów cząstek elementarnych (z których 16 zostało już wykrytych przez eksperyment). Celem fizyki cząstek elementarnych jest dalsze poszukiwanie pozostałych cząstek.

Standardowy model fizyki cząstek elementarnych

Standardowy model fizyki cząstek stanowi rdzeń współczesnej fizyki. W tym modelu opisano trzy z czterech podstawowych sił fizycznych, wraz z cząsteczkami, które pośredniczą w tych siłach - bozony miernicze. (Technicznie, grawitacja nie jest uwzględniona w Modelu Standardowym, chociaż fizycy teoretyczni pracują nad rozszerzeniem modelu o kwantową teorię grawitacji.)

Grupy cząstek

Jeśli jest coś, co podobają się fizykom cząstek, to dzieli cząstki na grupy. Oto kilka grup, w których istnieją cząstki:

Cząstki elementarne - Najmniejsze składniki materii i energii, te cząsteczki, które nie wydają się być wykonane z kombinacji mniejszych cząstek.

  • Fermiony - Fermiony to cząstki o spinie cząstki równym wartości połowy liczby całkowitej (-1/2, 1/2, 3/2 itd.). Cząstki te tworzą materię, którą obserwujemy w naszym wszechświecie.
  • Kwarki - Klasa fermionu. Kwarki to cząstki, które tworzą hadrony, takie jak protony i neutrony. Istnieje 6 różnych rodzajów kwarków:
    • Dół Kwark
    • Dziwny Kwark
    • Down Quark
    • Top Quark
    • Urok Kwark
    • W górę kwarka
  • Leptyny - Klasa fermionu. Istnieje 6 rodzajów leptonów:
    • Elektron
    • Electron Neutrino
    • Muon
    • Muon Neutrino
    • Tau
    • Tau Neutrino
  • Bozony - Bozony to cząstki o spinie cząsteczkowym równym liczbie całkowitej (1, 2, 3 itd.). Cząstki te pośredniczą w podstawowych siłach fizycznych w ramach teorii pola kwantowego.
    • Foton
    • W Boson
    • Z Boson
    • Gluon
    • Higgs Boson - część modelu standardowego. Wykryty po raz pierwszy w 2012 r. Przez Wielki Zderzacz Hadronów.
    • Grawiton - teoretycznie przewidywany jako część grawitacji kwantowej, ale tak naprawdę nie jest częścią Modelu Standardowego

Cząstki kompozytowe

  • Hadrony - cząsteczki złożone z wielu połączonych kwarków.
    • Baryony (fermiony)
    • Nukleony - protony i neutrony
    • Hiperony - krótkotrwałe cząstki złożone z dziwnych kwarków
    • Mezony (bozony)
  • Jądra atomowe - protony i neutrony tworzą się razem, tworząc jądro atomowe
  • Atomy - Podstawowy chemiczny budulec materii, atomy składają się z elektronów, protonów i neutronów.
  • Cząsteczki - złożona struktura złożona z wielu połączonych ze sobą atomów. Badanie, w jaki sposób atomy łączą się ze sobą, tworząc różne struktury molekularne, stanowi podstawę współczesnej chemii.

Uwaga na temat klasyfikacji cząstek

Utrzymanie wszystkich nazw w fizyce cząstek może być trudne, dlatego warto pomyśleć o świecie zwierząt, w którym takie uporządkowane nazewnictwo może być bardziej znane i intuicyjne. Ludzie to naczelne, ssaki, a także kręgowce. Podobnie protony to baryony, hadrony, a także fermiony.

Niefortunną różnicą jest to, że terminy wydają się podobne do siebie. Na przykład pomieszanie bozonów i barionów jest znacznie łatwiejsze niż pomylenie naczelnych i bezkręgowców. Jedynym sposobem, aby naprawdę oddzielić te różne grupy cząstek od siebie, jest ich dokładne przestudiowanie i staranie się zachować ostrożność przy wyborze nazwy.

Materia i siły: fermiony i bozony

Wszystkie cząstki elementarne w fizyce są klasyfikowane jako albo fermiony lub bozony. Fizyka kwantowa pokazuje, że cząsteczki mogą mieć związany z nimi wewnętrzny niezerowy „spin” lub moment pędu.

Fermion (nazwany na cześć Enrico Fermi) jest cząsteczką o spinie o wartości całkowitej całkowitej, podczas gdy bozon (nazwany od imienia Satyendra Nath Bose) jest cząsteczką o spinie całkowitym. Spiny te skutkują różnymi zastosowaniami matematycznymi w pewnych sytuacjach, co znacznie wykracza poza zakres tego artykułu. Na razie wiedz, że istnieją dwa rodzaje cząstek.

Prosta matematyka dodawania liczb całkowitych i pół liczb całkowitych pokazuje:

  • Łączenie nieparzystej liczby fermionów daje fermion (ponieważ całkowity spin nadal będzie wynosił połowę liczby całkowitej)
  • Łączenie parzystej liczby fermionów daje bozon (ponieważ całkowity spin będzie teraz wartością całkowitą)

Breaking Down Matter: Quarks & Leptons

Dwa podstawowe składniki materii to kwarki i leptyny. Obie te cząstki subatomowe są fermionami, więc wszystkie bozony powstają z równomiernej kombinacji tych cząstek.

Kwarki są podstawowymi cząsteczkami, które oddziałują przez wszystkie cztery podstawowe siły fizyki: grawitację, elektromagnetyzm, słabe oddziaływanie i silne oddziaływanie. Kwarki zawsze istnieją w połączeniu, tworząc cząsteczki subatomowe znane jako hadrony. Hadrony, dla uproszczenia, są podzielone na mezony (które są bozonami) i baryony (które są fermionami). Protony i neutrony są barionami. Innymi słowy, składają się one z kwarków, tak że ich spin ma wartość połowy liczby całkowitej.

Z drugiej strony leptony są podstawowymi cząsteczkami, które nie podlegają silnym interakcjom. Istnieją trzy „smaki” leptonów: elektron, mion i tau. Każdy smak składa się ze „słabego dubletu”, który składa się z wyżej wspomnianej cząstki wraz z praktycznie bezmasową neutralną cząsteczką zwaną neutrino. Zatem lepton elektronowy jest słabym dubletem elektronu i neutrina elektronowego.

Pod redakcją dr Anne Marie Helmenstine


Obejrzyj wideo: Prof. Barbara Badełek Kwarki, leptony, bozony (Sierpień 2022).