Részecskefizika

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A részecskefizika a fizika egyik ága, amely az anyag elemi összetevőit, sugárzást és azok kölcsönhatásait vizsgálja. Nagyenergiájú fizikának is hívják, mivel sok elemi részecske nem fordul elő normális körülmények között a természetben, hanem más részecskék nagy energiájú ütközései során kell őket kelteni, ahogy az a részecskegyorsítókban történik.


Alapfogalmak[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az anyag legkisebb összetevői[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az atommagot alkotó proton és a neutron nem elemi részecskék, hanem még kisebb részecskékből állnak. Ezek a kvarkok. Ezen kívül elemi részecskék még a leptonok, amelyek közé az elektron és a neutrínók is tartoznak. Az összes anyag kvarkokból és leptonokból áll, közöttük négyféle kölcsönhatás léphet fel, melyeket szintén részecskék közvetítenek.

Az elemi részecskék családjai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A körülöttünk álló világot döntő részben az u és a d kvark, valamint az elektron (e-) építi fel. A proton például két u és egy d kvarkból áll, a neutron két d és egy u kvarkból. Az atommag-átalakulások egy részénél szerepe van még az elektronneutrínónak (νe) is, egy nagyon kismértékben kölcsönható anyagnak is. Ezek alkotják az elemi részecskék első családját.

Első család második család harmadik család töltés (e)
u
c
t
2/3
d
s
b
-1/3
e-
μ-
τ-
-1
νe
νμ
ντ
0

Összesen három ilyen család létezik, de a másik kettő részecskecsaládhoz tartozó kvarkok létrejöttéhez nagyobb energiára van szükség. A világegyetem Ősrobbanás utáni korai forró időszakában sok második és harmadik családbeli kvark volt, de a világegyetem tágulásával és hűlésével egyre kisebb energia jutott egy részecskére, így azok elbomlottak kisebb tömegű részecskékre. Ezen korai fázisban a kvarkok és gluonok forró plazmát alkottak, majd a tágulás és lehűlés közben fázisátalakulás révén kialakultak a hadronok, azaz a kvarkokat az erős kölcsönhatás „börtönbe zárta”. Jelenleg nagy gyorsítókkal vizsgálják az elmélet helyességét, a kvark-gluon plazma nagyenergiájú részecskegyorsítókban való kialakulásának körülményeit és tulajdonságait.

Kölcsönhatások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A részecskék között négyféle kölcsönhatást ismerünk. Ezek egyre csökkenő erősséggel:

Antirészecskék[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Minden részecskének (az összes leptonnak, kvarknak és a kvarkokból felépülő részecskéknek) van olyan párja, amelynek az összes töltésjellegű kvantumszáma (például elektromos töltése, barionszáma és leptonszáma) ellentétes, de a tömege azonos a részecskéével. Ezeket hívjuk antirészecskéknek. Az elektron anti-párja a pozitron. Vannak olyan részecskék is, amiknek a sajátmaguk antirészecskéi (például foton, Z-bozon, semleges mezonok egy része), ezeket valódi semleges részecskéknek hívjuk.

A kvarkok és kötött állapotaik[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kvarkokat csak kötött állapotaikban, a hadronok belsejében, közvetve figyelhetjük meg. Kétféle hadron létezik:

  • három kvark alkotja a legegyszerűbb barionokat (három antikvark az antibarionokat),
  • egy kvark és egy antikvark alkotja a legegyszerűbb mezonokat.

Barion például a proton és a neutron, mezon például a pion.

A bozonok és a fermionok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A részecskéket spinjük (saját impulzusmomentumuk) alapján két lényegesen különböző tulajdonságú csoportba sorolhatjuk.

  • Az egyik csoport az egész spinű bozonoké (például mezonok, kölcsönhatást közvetítő részecskék).

A részecskefizika története[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az ötlet, miszerint az anyag elemi alkotórészekből tevődik össze, legalább az i. e. 6. századig megy vissza. Az atomizmus filozófiai tanát ókori görög filozófusok hirdették, mint Leukipposz, Démokritosz és Epikurosz. Bár Newton a 17. században arra gondolt, hogy az anyag apró részecskékből áll, csak Dalton jelentette ki formálisan 1802-ben, hogy minden anyagot apró atomok építenek fel.

Mengyelejev periódusos rendszere 1869-ben segített megszilárdítani ezt a 19. század során elterjedt nézetet. J.J. Thomson munkássága az 1897-ben megalapozta azt a nézetet, hogy az atomok nem oszthatatlan elemi részek, hanem könnyű elektronokból és egyéb nehezebb alkotórészekből állnak. Thomson atommodellje szerint az apró elektronok úgy ülnek egy nagy tömegű és kiterjedésű masszában, mint szilvadarabok egy nagy pudingban. Rutherford kísérlete 1911-ben azonban kimutatta, hogy az atom tömegének nagy része egy nagyon kicsi atommagba koncentrálódik. Eleinte úgy gondolták, hogy az atommag nagy tömegű protonokból és a magba zárt elektronokból áll. Ez magyarázta volna a rendszám eltérését a tömegszámtól. Később azonban úgy gondolták, hogy a protonok mellett a hozzájuk hasonlóan nagy tömegű semleges neutronok találhatók a magban, amiket Chadwick 1932-ben fedezett fel.

A 20. század korai szakaszának magfizikai és kvantumelméleti felfedezései a maghasadás (1939, Lise Meitner és Otto Hahn) és a magfúzió (1939, Hans Albrecht Bethe) felfedezésében csúcsosodtak ki. Ezek a felfedezések lehetővé tették atomok másféle atomokká való alakítását, köztük az alkimisták régi nagy álmát, az ólom arannyá változtatását.

Az 1950-es és 1960-as években azután zavarbaejtően sokféle részecskét fedeztek fel különböző kísérletekben. Az 1970-es években azután a standard modellnek meglehetősen kis számú alapvető részecskéből sikerült felépítenie a már ismert sok részecskét.

Ahogy a részecskefizika haladt lefelé a részecskék létezésének szintjein, egyre újabb és újabb tudományágak születtek és váltak ki belőle. Ilyenek többek között az atomok elektronhéjaival foglalkozó atomfizika, az atomok egymással létesített kötött állapotaival, a molekulákkal foglalkozó molekulafizika, az atommagok szerkezetével és átalakulásaival foglalkozó atommagfizika.

A részecskefizika standard modellje[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az elemi részecskék fizikájának jelenlegi legjobb leírását a részecskefizika standard modellje nyújtja. Ezek szerint az alapvető kölcsönhatásokat (erős, elektromágneses és gyenge; a gravitáció nincs a modellben) bozonok közvetítik, az úgynevezett „mértékbozonok”: foton, W-, W+, Z bozonok és a 8-féle gluon. Ezen kívül 12 alapvető ún. anyagi részecske (az antirészecskék és a kvarkok színeinek figyelembevétele nélkül), építi fel az anyagot. Végül az elmélet jósol egy még fel nem fedezett részecskét, a Higgs-bozont, ami tömeget ad a modell többi részecskéjének.

A kölcsönhatások elmélete bizonyos lokális szimmetriatulajdonságokból vezethető le: az ilyen elméleteket mértékelméleteknek nevezzük.

Az elmélet korlátainak kiküszöbölésére alkották meg többek között az alábbi elméleteket:

A tér kiterjesztése új dimenziókkal[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kísérleti adatokkal való egyezés keresése sok új ötlettel ajándékozta meg a részecskefizikát. Az egyik ilyen gyümölcsöző irány az általunk tapasztalatból ismert háromdimenziós tér egyeséges keretben való tárgyalása a tőle függetlennek látszó idővel, illetve új – nem szokványos, hanem kompakt – térdimenziók hozzáadása a fizikai leíráshoz. Az ilyen kiterjesztések általában új típusú részecskék megjelenésével járnak az elméleti jóslatokban.

Relativitáselmélet[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A speciális relativitáselmélet a Lorentz-transzformációval kapcsolatot teremtett a „hétköznapi” euklideszi hármastér és az idő között, egyben kimondva, hogy a transzformáció szimmetriája a természetnek. A felépített új ún. négyestér (vagy téridő) matematikai leírására a keretet a Minkowski-tér biztosítja. Az idődimenzió nem lett teljesen ekvivalens a térdimenziókkal, például az idő továbbra sem tud visszafelé folyni, és a kauzalitás, a dolgok egymásutánisága sem sérülhet.

Az elméletet a kvantumechanikában érvényesítve megjósolta az antirészecskék létezését, amelyek későbbi felfedezése az elmélet nagyszerű bizonyítéka.

Szuperszimmetria[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A szuperszimmetria elmélete a négyes téridőt szupertérré bővíti, ami ötödik és további dimenziókként nem a négyesteret leíró valós számot, hanem Grassmann-számokat ad hozzá a leíráshoz. A szuperszimmetria az így kiterjesztett téren lehetséges transzfromációkkal szembeni szimmetriát jelenti. Jóslata szerint minden általunk ismert részecskének létezik egy – nyilván kis tömegű, mivel eddig még nem fedeztük fel őket – ún. szuperpartnere. A fermionok szuperpartnere bozon és megfordítva. A szuperszimmetrikus modellek a standard modell sok problémáját képesek megoldani, a részecskefizika egyik mai legfontosabb feladata a szuperszimmetria igazolása avagy kizárása.

Kísérleti részecskefizika[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kísérleti részecskefizika legfontosabb eszközei a gyorsítók és a detektorok. A részecskegyorsítókban a töltött részecskéknek feszültség hatására nagy mozgási energiára tesznek szert. A detektorokban az ütközések során, a világűrben stb. keletkező részecskék tulajdonságait (helyét, energiáját, lendületét, sebességét) mérik.

Nagyobb nemzetközi részecskefizikai kutatóhelyek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Gyorsítókat használó kutatóhelyek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Egyéb kutatóhelyek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Vannak olyan kísérleti részecskefizikai kutatóhelyek is, ahol nem részecskegyorsítókat alkalmaznak.

Obszervatórium ország cél
Super-Kamiokande Japán neutrínó detektálás, protonbomlás
Sudbury Neutrínó Obszervatórium Kanada neutrínó detektálás
Gran Sasso Nemzeti Laboratórium Olaszország neutrínó, sötét anyag keresés

Lásd még[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Irodalomjegyzék[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ismeretterjesztő irodalom[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A fizika fejlődésének olvasmányos, tartalmas, regényszerű leírása, különös tekintettel a részecskefizikára. Sokat tudhatunk meg a gyorsítókról, a kísérletek lefolyásáról és a kísérleti eredményekről.

Változatos cikkek a részecskefizikáról a témakör magyar szakértőitől. Néhány témakör: standard modell, CP-szimmetriasértés, neutrínódetektorok, a kozmikus sugárzás vizsgálata, a proton szerkezete.

A 5.5. fejezet foglalkozik a részecskefizikával. Pár magyar név a fejezetből: Wigner Jenő, Marx György, Csikai Gyula, Szalay Sándor.

  • Hudson–Nelson: Útban a modern fizikához (LSI Oktatóközpont, Bp. 1994) részecskefizika fejezete ISBN 963-577-197-5

Tömör áttekinthető összefoglalás feladatokkal

Az elektromágnesességet leíró kvantumelektrodinamikát (QED) vázolja a könyv középiskolás tudással is érthetően. A szerző részt vett annak kidolgozásában.

  • Frank Close, Michael Marten, Christine Sutton: The Particle Explosion, Oxford University Press, New York, Tokio, Melburne, 1987 ISBN 0-19-853999-1

A részecskefizika olvasmányos története angol nyelven színes képekkel. (Újabb könyvük címe: Particle Odyssei ISBN 0-19-850486-1, vélhetően hasonló stílusban.)

Bevezető jellegű szakirodalom[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Részecskefizika témájú médiaállományokat.

kísérletekhez és néhány tudnivaló tanárok számára. Érdemes egy pillantást vetni az antianyag webhelyre

  • Particle Adventure, többnyelvű élvezetes ismeretterjesztő oldal a részecskefizikáról.