Elemi részecske

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Az elemi részecskék Standard modellje

A részecskefizikában az elemi részecske kétféle értelemben használatos. Általában olyan részecskét értünk alatta, amely tovább nem bontható (a tudomány mai állása szerint), néha az összes olyan részecskét beleértik, ami más, nagyobb részecskének az építőköve. Például az atomok kisebb részecskékből, elektronokból, protonokból és neutronokból épülnek fel. Viszont a proton és a neutron még elemibb részecskékből, a kvarkokból és gluonokból áll, ez az első, gyakoribb felfogás szerint nem elemi részecske. A fizika egyik leglényegesebb célkitűzése, hogy megtalálja a legelemibb részecskéket, amelyekből az összes többi részecske felépíthető, míg maguknak nincsenek még elemibb összetevőik. Ez különbözteti meg őket a többi szubatomi részecskétől.

Fontosabb elemi részecskék táblázata[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]


név jel töltés tömeg összetétel fajtái egyéb
proton p+ pozitív 1 egységnyi 3 kvark+3 gluon
neutron n0 - 1 egységnyi 3 kvark+3 gluon
elektron e- negatív 1/1840 egységnyi -
neutrínó
kvark
gluon
graviton
foton
müon
lepton

Standard modell[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A részecskefizika standard modellje 12-féle elemi fermiont (anyagi részecskét) és 12-féle bozont (közvetítő részecskét), valamint antirészecskéiket és a nemrég kísérletileg is felfedezett Higgs-bozont tartalmazza. A standard modellt egyébként egy ideiglenes, nem alapvető elméletnek tekinthetjük a fizikusok általános véleménye szerint, sőt az is előfordulhat, hogy valamelyik komponenséről idővel kiderül majd, hogy nem alapvető, hanem összetett részecske. Létezhetnek ezenkívül olyan elemi részecskék, amelyeket a standard modell nem ír le. A legfontosabb említendő ilyen részecske a graviton, a gravitációs kölcsönhatás feltételezett közvetítője.

A 12 alapvető anyagi részecske[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A 12 alapvető fermiont 3 családba sorolhatjuk, amelyek mindegyikének 4 tagja van. 6 részecske közülük kvark, 6 pedig lepton. Az utóbbiak közül 3 neutrínó, a maradék pedig az elektron, a müon és a tau-lepton.

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

A CERN egyik kísérletéből és ettől független kozmológiai vizsgálatokból derült ki, hogy pontosan három ilyen részecskecsalád van. Ha figyelembe vesszük, hogy a kvarkok háromféle színben léteznek, akkor az egyes családok össztöltésére 3·(2/3 - 1/3)-1+0 = 0 jön ki.

A kölcsönhatásokat közvetítő részecskék[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Összesen tehát tizenkét kölcsönhatást közvetítő részecskénk van.

A Higgs-bozon[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Higgs-bozon a standard modell szerint két gyenge dublettből maradó egyetlen nagy tömegű részecske, ami spontán sérti az elektrogyenge szimmetriát az elektromágneses szimmetriává, közben tömeget adva a három gyenge közvetítő részecskének, valamint a kvarkoknak és a leptonoknak.

A téridő kiterjesztése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A fizika fejlődése során az első ilyen kiterjesztés magának a téridő fogalmának megszületése volt. Korábban a fizikai egyenletek a konkrét folyamatokat leíró törvényeknek megfelelően a hármastérbeli (Euklideszi-tér) koordináták változását adták meg az idő függvényében, ill. egy fizikai objektum paramétereit a külön kezelt térkoordináták, valamint az idő függvényében. A koordináták is és az idő is abszolút mennyiségek voltak abban az értelemben, hogy két jelenség távolsága ill. időkülönbsége minden koordináta-rendszerben ugyanaz volt.

A speciális relativitáselmélet megszüntette ezt a különállást, a teret és az időt a négydimenziós, sajátos metrikájú Minkowski-térként együtt kezelve, és a Lorentz-transzformációval transzformációs kapcsolatot teremtett a térkoordináták és az idő között, amivel szemben megállapította a természet invarianciáját, és a fizikai mennyiségek kovarianciáját. A Lorentz-transzformáció a hármastérbeli forgatások általánosítása a Minkowski-térre.

A szuperszimmetria elmélete a Minkowski-teret szupertérré bővíti, a legegyszerűbb (N=1) esetben egy-egy spinorral és "konjugált" (pontozott) spinorral, aminek komponensei azonban nem komplex, hanem Grassmann-számok. A szupertranszformációk a négyestérbeli eltolások általánosításai, a super-Poincaré csoport elemei. A részecskéket szupermezők írják le, a négyestérbeli részecskemezők általánosításai.

Mind a relativisztikus, mind a szuperszimmetrikus kiterjesztés megduplázza a fizikai részecskék számát.

Antirészecskék[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A nemrelativisztikus kvantummechanikában a hullámfüggvény és konjugáltjának szorzata egy valós skalármennyiség, a valószínűségi sűrűség eloszlása, ezért a két függvény transzformációs tulajdonságai minden koordináta-rendszerben ugyanolyan kapcsolatban állnak egymással. Relativisztikus esetben viszont a sűrűség egy négyesvektor nulladik komponense, elveszik tehát a kovariáns kapcsolat a hullámfüggvény és konjugáltja között, hiszen szorzatuk nem skalár. A konjugált mennyiség önálló szabadsági fokká válik, amit az antirészecskék megjelenésével azonosíthatunk. Minden részecskének van antirészecskéje, vannak olyanok azonban, akik a saját maguk antirészecskéi. Az ilyen részecskék hullámfüggvénye valós, töltésük semleges és valódi semleges részecskéknek hívjuk őket. Ilyen részecske például a foton.

Szuperpartnerek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A szupermezők Grassman-sváltozók szerinti sorfejtésében – ez a sorfejtés a Grassmann-számok algebrája miatt véges – első tagként a négyestérbeli részecskemező szerepel, majd a Grassmann-spinor és egy másik mező szorzata, valamint még néhány további tag. Ez a "másik mező" új részecskét, a szokásos részecske szuperpartnerét írja le. Mivel – feles spinű részecske transzformációs tulajdonságaival rendelkező – Grassmann-spinorral szorozva ugyanolyanok a transzformációs tulajdonságai, mint a négyestérbeli mezőé, ezért ha a "szokásos" részecske fermion, akkor a szuperpartner "bozon" és megfordítva. Minden részecskének van ilyen szuperpartnere a szuperszimmetria elmélete szerint. Kísérletileg még nem sikerült igazolni a létezésüket, de nagyon sok elméleti érv szól emellett. A szuperszimmertia, ha létezik is, akkor is sérült, hiszen sérülés nélkül a szuperpartnerek tömege ugyanakkora lenne, mint a "rendes" részecskéké, és akkor már biztosan felfedeztük volna őket. Így a sérülés miatt nyilván nagy tömegű részecskékről van szó, a sértés módja (direkt vagy spontán) azonban szintén vizsgálat tárgya.

A belső tér (mértékszimmetria) kiterjesztése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az elektrodinamika mértékszabadságának vizsgálata és a kvantum-elektrodinamikai kiterjesztése a sugárzási térről (foton) az anyagi terekre (elektron) is kimutatta, hogy ez egy lokális U(1)-szimmetria, ami egyértelműen megszabja az anyagi terek (töltések) és a sugárzási tér részecskéinek a kölcsönhatását, és a töltések közötti kölcsönhatást is ilyen töltés-sugárzási kölcsönhatásokon megy keresztül. Azaz az elektromágneses kölcsönhatás közvetítő részecskéje a foton.

Kölcsönhatások és közvetítőik[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ezt az eredményt a kvantumtérelmélet általánosította, a gyenge kölcsönhatást és az erős kölcsönhatást is ilyen lokális szimmetriával rendelkező térelméletek azaz mértékelméletek, az elektrogyenge elmélet és a kvantumszíndinamika segítségével írta le. Ez a kölcsönhatásokat közvetítő részecskék, a gyenge (W-bozonok, Z-bozon) ill. erős mértékbozonok (gluonok) megjelenésével járt. Az elektromágneses U(1) belső tér pedig SU(3)×SU(2)×U(1)-belső térré bővült, amin belüli transzformációkkal szemben szimmetria érvényesül (Standard modell).

Szimmetriasértés és Higgs-bozon[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Nyilvánvaló azonban, hogy a gyenge kölcsönhatás SU(2)-szimmetriája nem lehet egzakt, nyilvánvalóan sérül. Ezen sérülés "megvalósítására" a spontán szimmetriasértés látszik a legvalószínűbbnek, amihez léteznie kell egy sajátos önkölcsönhatással rendelkező részecskének, a Higgs-bozonnak, ami a sértésen keresztül tömeget ad a gyenge közvetítő bozonoknak és a fermionoknak (kvarkoknak és leptonoknak). A Higgs-bozont még nem találtuk meg, kutatása ma a részecskefizika elsőrendű feladata.

Lásd még[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]