Základy fyziky elementárních částic

Koncept základních nedělitelných částic sahá až do roku 2005 starověcí Řekové (pojem známý jako „atomismus“). Ve 20. století začali fyzici zkoumat dění na nejmenších úrovních hmoty a mezi jejich nejúžasnější moderní objevy patřilo množství různých částic ve vesmíru. Kvantová fyzika předpovídá 18 typů elementárních částic a 16 již bylo experimentálně detekováno. Fyzika elementárních částic má za cíl najít zbývající částice.

Základní model fyziky částic, který klasifikuje elementární částice do několika skupin, je jádrem moderní fyziky. V tomto modelu tři čtyři základní fyzikální síly Jsou popsány částice, které tyto síly zprostředkovávají, spolu s kalibry bosony. Ačkoli gravitace není ve standardním modelu technicky zahrnuta, teoretičtí fyzici se snaží model rozšířit o a předpovídat kvantová teorie gravitace.

Pokud se zdá, že si částečtí fyzici užívají jednu věc, rozděluje částice do skupin. Elementární částice jsou nejmenšími složkami hmoty a energie. Pokud to vědci dokážou říct, nezdá se, že by byly vyrobeny z kombinací menších částic.

Všechny elementární částice ve fyzice jsou klasifikovány jako jeden fermiony nebo bosony. Kvantová fyzika ukazuje, že částice mohou mít vlastní nenulovou „spinu“ nebo úhlová hybnost, spojené s nimi.

Fermion (pojmenovaný po Enrico Fermi) je částice s napůl celočíselnou rotací, zatímco boson (pojmenovaný po Satyendra Nath Bose) je částice s celým číslem nebo celočíselnou rotací. Tato otočení mají za následek různé matematické aplikace v konkrétních situacích. Jednoduchá matematika přidávání celých čísel a polovičních celých čísel ukazuje následující:

• Kombinace lichého počtu fermionů má za následek fermion, protože celková rotace bude stále poloviční celočíselnou hodnotou.
• Kombinace sudého počtu fermionů vede k bosonu, protože celková rotace vede k celočíselné hodnotě.

Fermiony mají rotaci částic rovnající se hodnotě polovičního čísla (-1/2, 1/2, 3/2 atd.). Tyto částice tvoří záležitost, kterou pozorujeme v našem vesmíru. Dvě základní složky hmoty jsou kvarky a leptony. Obě tyto subatomické částice jsou fermiony, takže všechny bosony jsou vytvořeny z rovnoměrné kombinace těchto částic.

Kvarky jsou třídou fermionů, které tvoří hadrony, jako je například protony a neutrony. Quarks jsou základní částice, které interagují přes všechny čtyři základní síly fyziky: gravitace, elektromagnetismus, slabá interakce a silná interakce. Kvarky vždy existují v kombinaci a vytvářejí subatomické částice známé jako hadrony. Existuje šest různých typů kvarků:

• Dolní kvark
• Podivný Quark
• Down Quark
• Top Quark
• Charm Quark
• Nahoru Quark

Leptony jsou typem základní částice, u které nedochází k silné interakci. Existuje šest odrůd lepton:

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

Každá ze tří "příchutí" leptonu (elektron, mion a tau) je složena ze "slabého dubletu", výše zmíněné částice a prakticky bezhmotné neutrální částice zvané neutrino. Elektronový lepton je tedy slabým dubletem elektronů a neutronů elektronů.

Bosoni mají rotaci částic rovnou celému číslu (celá čísla jako 1, 2, 3 atd.). Tyto částice zprostředkovávají základní síly fyziky v rámci kvantových teorií pole.

• Foton
• W Boson
• Z Boson
• Gluon
• Higgs Boson
• Graviton

Hadrony jsou částice tvořené vícenásobně vázanými kvarky tak, že jejich rotace je poloviční celočíselnou hodnotou. Hadrony jsou rozděleny na mezony (což jsou bosony) a baryony (což jsou fermiony).

• Mesons
• Baryoni
• Nukleony
• Hyperony: částice s krátkým životem složené z podivných kvarků

Molekuly jsou komplexní struktury složené z více atomů spojených dohromady. Základní chemický stavební blok hmoty, atomy jsou složeny z elektronů, protonů a neutronů. Protony a neutrony jsou nukleony, typ baryonu, který společně tvoří složenou částici, která je jádrem atomu. Studium toho, jak se atomy spojují dohromady za vzniku různých molekulárních struktur, je základem moderního chemie.

Může být obtížné udržet všechna jména ve fyzice částic přímo, takže by mohlo být užitečné myslet na svět zvířat, kde by toto strukturované pojmenování mohlo být známější a intuitivnější. Lidé jsou primáti, savci a také obratlovci. Podobně jsou protony nukleony, baryony, hadrony a také fermiony.

Nešťastný rozdíl je v tom, že podmínky mají tendenci znít podobně. Například matoucí bosony a baryony jsou mnohem jednodušší než matoucí primáty a bezobratlí. Jediným způsobem, jak tyto oddělené skupiny částic skutečně oddělit, je pouze pečlivě prostudovat a pokusit se dávat pozor na to, jaké jméno se používá.

Editoval Anne Marie Helmenstine, Ph. D.