Elementarioji dalelė

Elementarioji dalelė arba fundamentalioji dalelė (angl. Elementary particle) – tai dalelė, kuri yra laikoma neturinti vidinės struktūros; t. y., nėra žinoma, kad ji būtų sudaryta iš smulkesnių dalelių. Pagal šiuolaikinę dalelių fizikos teoriją, standartinį modelį, elementariosiomis dalelėmis yra laikomi kvarkai, leptonai ir bozonai.^[1][2]

Istorijos bėgyje hadronai (mezonai ir barionai tokie kaip protonai ir neutronai) ir net atomai tam tikru laiku buvo laikomi elementariosiomis dalelėmis. Pagrindinė elementariųjų dalelių teorijos savybė yra XX amžiaus pradžios „kvantų“ idėja, kuri iš pagrindų pakeitė suvokimą apie elektromagnetinį spinduliavimą ir davė pradžią kvantinei mechanikai.

Apžvalga

Visos elementariosios dalelės yra arba bozonai, arba fermionai (priklausomai nuo jų sukinio). Dalelės paprastai siejamos su medžiaga yra fermionai, turintys pusinį sukinį. Dalelės siejamos su fundamentaliosiomis sąveikomis yra bozonai, turintys sveiką sukinį.^[3]

• Fermionai:

Kvarkai – kylantysis, krintantysis, keistasis, žavusis, gelminis, viršūninis

Leptonai – elektronas, miuonas, taonas, elektroninis neutrinas, miuoninis neutrinas, tau neutrinas

• Bozonai:

Jėgos nešėjai – gliuonas, W ir Z bozonai, fotonas

Kiti bozonai – Higso bozonas, gravitonas

Standartinis modelis

Pagrindinis straipsnis – Standartinis modelis.

Dalelių fizikos standartiniame modelyje yra 12 elementariųjų fermionų, taip pat tiek pat juos atitinkančių antidalelių, elementarieji bozonai, kurie perneša sąveikas, bei vis dar neatrastas Higso bozonas. Tačiau standartinis modelis yra laikomas tik parengtine, o ne tikrai fundamentalia teorija, kadangi jis yra fundamentaliai nesutaikomas su Einšteino bendrąja reliatyvumo teorija. Yra tikėtina, kad egzistuoja hipotetinės elementariosios dalelės neaprašytos standartiniu modeliu, tokios kaip gravitonas – dalelė, kuri perneštų gravitacinę sąveiką, ir s-dalelės – supersimetriniai įprastų dalelių „partneriai“.

Fundamentalieji fermionai

Pagrindinis straipsnis – Fermionas.

12 fundamentaliųjų fermionų yra suskirstyti į tris kartas po keturias daleles. Šešios dalelės iš šių dvylikos yra kvarkai. Likusios šešios yra leptonai, trys iš kurių yra neutrinai, o kitos – elektronas ir du jo „giminaičiai“, miuonas ir taonas.

Dalelių kartos

Pirmoji karta elektronas: e− elektroninis neutrinas: νe kylantysis kvarkas: u krintantysis kvarkas: d

Antroji karta miuonas: μ− miuoninis neutrinas: νμ žavusis kvarkas: c keistasis kvarkas: s

Trečioji karta taonas: τ− tau neutrinas: ντ viršūninis kvarkas: t gelminis kvarkas: b

Antidalelės

Pagrindinis straipsnis – antimedžiaga.

Taip pat yra 12 fundamentaliųjų fermioninių antidalelių atitinkančių šias 12 dalelių. Pozitronas e⁺ atitinka elektroną ir turi elektrinį krūvį lygų +1:

Antidalelės

Pirmoji karta pozitronas: e+ elektroninis antineutrinas: ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$ kylantysis antikvarkas: ${\displaystyle {\bar {u}}}$ krintantysis antikvarkas: ${\displaystyle {\bar {d}}}$

Antroji karta teigiamas miuonas: μ+ miuonininis antineutrinas: ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{\mu }}$ žavingasis antikvarkas: ${\displaystyle {\bar {c}}}$ keistasis antikvarkas: ${\displaystyle {\bar {s}}}$

Trečioji karta teigiamas taonas: τ+ tau antineutrinas: ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{\tau }}$ viršūninis antikvarkas: ${\displaystyle {\bar {t}}}$ gelminis antikvarkas: ${\displaystyle {\bar {b}}}$

Kvarkai

Pagrindinis straipsnis – kvarkas.

Kiekvienas kvarkas turi vieną iš trijų stipriosios sąveikos spalvinių krūvių; antikvarkai atitinkamai turi antispalvą. Dalelės turinčios spalvinį krūvį sąveikauja per gliuonų apsikeitimą, panašiai kaip dalelės turinčios elektrinį krūvį sąveikauja per fotonų apsikeitimą. Tačiau gliuonai patys turi spalvinį krūvį, dėl ko stiprioji sąveika stiprėja dalelėms su spalviniu krūviu tolstant vienai nuo kitos (kitaip nei elektromagnetinė jėga, kuri silpnėja dalelėms su elektriniu krūviu tolstant vienai nuo kitos), todėl joms yra labai sunku atsiskirti vienai nuo kitos (o kai tai joms pavyksta, atsiranda dalelė energijos pernešėja, kuri pavirsta į du naujus kvarkus).

Tačiau dalelės su spalviniu krūviu gali susijungti į spalviškai neutralią sudėtinę dalelę vadinama hadronu. Kvarkas gali susiporuoti su antikvarku: kvarkas turi spalvą, o antikvarkas turi atitinkamą antispalvą. Spalva ir antispalva „susiprastina“ susiformuojant spalviškai neutraliam mezonui. Taip pat gali susijungti trys kvarkai: vienas „raudonas“, kitas „mėlynas“, trečias „žalias“. Šie trys kvarkai suformuoja spalviškai neutralų barioną. Taip pat gali susijungti trys antikvarkai: vienas „antiraudonas“, kitas „antimėlynas“, trečias „antižalias“. Šie trys antikvarkai suformuoja spalviškai neutralų antibarioną.

Kvarkai taip pat turi trupmeninį elektrinį krūvį, tačiau jie būna hadronų viduje, kurių krūviai gaunasi sveikieji skaičiai. Kvarkai gali turėti elektrinius krūvius lygius arba +2/3, arba −1/3, o antikvarkai arba −2/3, arba +1/3.

Kvarkų egzistavimo įrodymas yra gaunamas iš giliosios netampriosios sklaidos (angl. deep inelastic scattering): elektronų šaudymo į branduolį siekiant nustatyti krūvio pasiskirstymą nukleonuose (kurie yra barionai). Jeigu krūvis yra pasiskirstęs homogeniškai, elektrinis laukas apie protoną turėtų būti homogeniškas ir elektronai turėtų sklaidytis elastiškai. Mažos energijos elektronai taip ir elgiasi, tačiau viršijus tam tikrą energiją, protonai ima sklaidyti dalį elektronų dideliais kampais. Atšokantis elektronas turi daug mažiau energijos ir yra išleidžiama dalelių čiurkšlė. Iš tokios inelastinės sklaidos galima daryti išvadą, kad krūvis protone yra pasiskirstęs ne tolygiai, bet pasidalinęs tarp kelių mažesnių dalelių: kvarkų.

Fundamentalieji bozonai

Pagrindinis straipsnis – bozonas.

Standartiniame modelyje, vektoriniai (sukinio-1) bozonai (gliuonai, fotonai ir W ir Z bozonai) perneša sąveikas, o Higso bozonas (sukinys-0) susijęs su dalelių mase.

Gliuonai

Pagrindinis straipsnis – gliuonas.

Gliuonai yra stipriosios sąveikos nešikliai turintys ir spalvą, ir antispalvą. Gliuonai niekada nebuvo stebėti detektoriais dėl spalvinio konfainmento (angl. confinement – įkalinimas, izoliavimas); jie sukuria hadronų čiurkšles, panašiai kaip ir laisvi kvarkai. Pirmasis gliuonų egzistavimo įrodymas buvo gautas iš didelės energijos elektronų ir pozitronų anihiliacijos, kuri kartais sukuria tris čiurkšles – kvarko, antikvarko ir gliuono.

Elektrosilpnieji bozonai

Pagrindinis straipsnis – W ir Z bozonai.

Trys bozonai W⁺, W⁻, ir Z⁰ perneša silpnąją sąveiką. Bemasis fotonas perneša elektromagnetinę sąveiką.

Higso bozonas

Pagrindinis straipsnis – Higso bozonas.

Nors silpnoji ir elektromagnetinė sąveikos įprastose energijose atrodo gan skirtingos, yra teorijų apie jų susijungimą į vieną elektrosilpnąją sąveiką esant didelėms energijoms. Ši prognozė buvo paremta matuojant aukštos energijos elektronų – protonų sklaidos skerspjūvius priešpriešinių srautų greitintuve HERA (DESY). Skirtumai žemose energijose atsiranda dėl didelių W ir Z bozonų masių, kurios yra Higso mechanizmo pasekmė. Savaiminės simetrijos pažaidos metu Higsas parenka specialią kryptį elektrosilpnojoje erdvėje, dėl kurios elektrosilpnosios dalelės tampa labai sunkiomis (silpnieji bozonai), o fotonas lieka bemasiu. Nors Higso mechanizmas tapo priimta standartinio modelio dalimi, pats Higso bozonas dar nebuvo stebėtas detektoriuose. Netiesioginis Higso bozono egzistavimo įrodymas leidžia manyti, kad jo masė yra kažkur 200-250 GeV.^[4] Tokiu atveju LHC eksperimentai leis atrasti šią paskutinę trūkstamą standartinio modelio dalį.

Už standartinio modelio

Nors daug eksperimentinių duomenų patvirtina standartinio modelio prognozes, daugelis fizikų yra nepatenkinti šiuo modeliu dėl daugelio nenustatytų parametrų, didelio fundamentalių dalelių skaičiaus, Higso bozono neatradimo ir kitų teoretinių svarstymų, pavyzdžiui, hierarchijos problemos. Todėl yra nemažai teorijų papildančių standartinį modelį, kuriomis bandoma ištaisyti šiuos trūkumus.

Didysis suvienijimas

Pagrindinis straipsnis – didžioji suvienijimo teorija.

Vienas iš standartinio modelio išplėtimų bando sujungti elektrosilpnąją sąveiką su stipriąja sąveika į vieną jungtinį lauką. Tokia sąveika dėl savaiminės simetrijos pažaidos suskiltų į tris sąveikas per panašų į Higso mechanizmą. Ryškiausia didžiojo suvienijimo prognozė yra X bozonų, kurie sukelia protonų skilimą, egzistavimas. Tačiau protonų skilimo nestebėjimas Super-Kamiokande neutrinų observatorijoje atmeta paprasčiausias didžiojo suvienijimo teorijas.

Supersimetrija

Pagrindinis straipsnis – supersimetrija.

Supersimetrija išplečia standartinį modelį pridėdama prie Lagranžiano papildomas simetrijų klases. Šios simetrijos sukeičia fermionines daleles su bozoninėmis. Tokia simetrija numato supersimetrinių dalelių (trumpiau s-dalelės), kurioms priklausytų s-leptonas, s-kvarkas, neutralinas ir čardžinas (angl. chargino), egzistavimą. Kiekviena standartinio modelio dalelė turėtų superpartnerį, kurio sukinys nuo paprastos dalelės skirtusi per 1/2. Dėl supersimetrijos pažaidos, s-dalelės yra daug sunkesnės už jų įprastus atitikmenis; jos yra tokios sunkios, kad šiuo metu veikiantys dalelių greitintuvai yra nepakankamai galingi joms sukurti. Tačiau kai kurie fizikai mano, kad s-daleles bus galima stebėti, kai CERN'e pradės veikti didysis hadronų priešpriešinių srautų greitintuvas.

Stygų teorija

Pagrindinis straipsnis – stygų teorija.

Pagal stygų teoriją, kiekviena fundamentalioji dalelė atitinka skirtingą fundamentaliųjų stygų virpėjimą. Visos stygos iš esmės yra tokios pačios, bet jos gali būti atviros (linijos) arba uždaros (žiedai). Modernios stygų teorijos įtraukia supersimetriją, todėl yra vadinamos superstygų teorijomis.

Viena iš stygų teorijos prognozių yra įprastų dalelių labai masyvių „partnerių“ egzistavimas dėl fundamentalių stygų vibracinių sužadinimų. Stygų teorijos taip pat numato bemasės sukinio 2 dalelės, kuri elgiasi kaip gravitonas, egzistavimą.

Viena iš stygų teorijos problemų yra daug didesnis už 4 (stebimų matmenų skaičius) reikalingų erdvėlaikio matmenų skaičius. Manoma, kad šie papildomi matmenys yra kompaktifikuoti arba „susivynioję“. Kitos susijusios teorijos, pavyzdžiui, branų teorija išlaiko papildomus matmenis ištiestus, bet paslėptus nuo mūsų dėl „pririšimo“ prie branos.

Preonų teorija

Pagrindinis straipsnis – preonas.

Pagal preonų teoriją egzistuoja fundamentalesnės dalelės nei dalelės standartiniame modelyje. Fundamentaliausios iš jų paprastai yra vadinamos preonais. Preonų teorija bando su standartiniu modeliu padaryti tai, ką šis padarė su dalelių zoo-sodu, buvusiu iki jo. Dauguma preonų teorijos modelių daro prielaidą, kad viskas standartiniame modelyje gali būti paaiškinta per 3–6 fundamentalesnes daleles ir jų sąveikas. Susidomėjimas preonais pamažu dingo kai paprasčiausi modeliai buvo eksperimentiškai paneigti devintajame dešimtmetyje.

Taip pat skaitykite

• Subatominė dalelė
• Dalelių fizika
• Dalelių sąrašas
• Mereologinis nihilizmas

Išnašos

1. Gribbon, John (2000). Q is for Quantum – An Encyclopedia of Particle Physics. Simon & Schuster. ISBN 0-684-85578-X.
2. Clark, John, E.O. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble. ISBN 0-7607-4616-8.{{cite book}}: CS1 priežiūra: multiple names: authors list (link)
3. Veltman, Martinus (2003). Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics. World Scientific. ISBN 981-238-149-X.
4. Eksperimentas numato sunkesnį Higsą Archyvuota kopija 2007-02-10 iš Wayback Machine projekto.

Greene, Brian (1999). The Elegant Universe. W. W. Norton & Company. ISBN 0-393-05858-1.

Nuorodos

• Greene, Brian, „Elementariosios dalelės“. The Elegant Universe, NOVA (PBS)
• particleadventure.org: Standartinis modelis Archyvuota kopija 2007-09-02 iš Wayback Machine projekto., *Neišaiškintos paslaptys. Už standartinio modelio Archyvuota kopija 2011-03-03 iš Wayback Machine projekto., *Kvarkų pavadinimai Archyvuota kopija 2011-03-01 iš Wayback Machine projekto.
• particleadventure.org: Dalelių lentelė Archyvuota kopija 2007-09-03 iš Wayback Machine projekto.
• Kalifornijos universitetas: Dalelių duomenų grupė
• CERNCourier: Season of Higgs and melodrama Archyvuota kopija 2008-07-23 iš Wayback Machine projekto.
• Pentakvarkas Archyvuota kopija 2011-07-20 iš Wayback Machine projekto.
• Interactions.org Dalelių fizikos naujienos
• Symmetry Magazine, bandras Fermilab/SLAC leidinys
• Energijos sąryšis tarp fotonų ir gravitonų Archyvuota kopija 2007-02-21 iš Wayback Machine projekto.
• Kvarkų pavadinimai Lietuvos respublikos terminų banke^{[neveikianti nuoroda]}