Elementární částice

Z Multimediaexpo.cz

Aktuální verze z 16. 9. 2020, 09:24

Elementární (též fundamentální nebo základní) částice je ve fyzice označení užívané někdy pro subatomární částice, jindy pro základní částice standardního modelu, jindy pro obecně nejzákladnější známé částice.

Terminologické problémy označení jsou popsány v oddílu terminologie.

Částice standardního modelu

Standardní model je v současnosti všeobecně uznávaná teorie částic a elektromagnetické, slabé a silné interakce. Obsahuje dva druhy základních fermionů - kvarky a leptony, vyskytující se ve třech generačních variantách. Dále základním interakcím odpovídají intermediální částice (např. foton elektromagnetické interakci) a zatím ještě neobjevené Higgsovy částice. Intermediální částice jsou všechny bosony. Ke každé částici ještě přísluší antičástice, někdy identická.

Stavební částice hmoty

první pozorování neutrina

• Leptony jsou elektron a neutrino, každý ve třech generačních variantách (elektron, mion a tauon; a neutrino elektronové, mionové a tauonové). Každý lepton má svou antičástici, v případě elektronu je to pozitron. Leptony nemají podle současného poznání vnitřní strukturu. Všechny podléhají slabé interakci. Elektron, mion a tauon mají stejný jednotkový elektrický náboj a interagují elektromagneticky.
• Kvarky jsou stavební částice hadronů (např. protonu nebo mezonů). Existuje jich šest (každý se svým antikvarkem), stejně jako u leptonů ve třech generacích. Podléhají všem známým základním interakcím (silná, slabá, elektromagnetická). Jejich elektrický náboj je ±1/3 náboje elektronu. Kvarky se za běžných okolností nikdy nevyskytují samostatně, ale vždy ve složitějších objektech z více než jednoho kvarku. Vzhledem k tomu má tvrzení o existenci kvarků jako částic dosti specifický význam (blíže viz asymptotická volnost kvarků).

Částice interakcí

• Intermediální částice zprostředkovávají interakce. Elektromagnetickou sílu přenáší foton. Slabou sílu zprostředkovávají tři částice bosonů W⁺, W^- a Z⁰ a silnou sílu osm typů gluonu.
• Higgsův boson je standardním modelem předpovězená, ale dosud experimentálně neověřená částice Higgsova pole. Toto pole ve standardním modelu způsobuje nenulovou hmotnost částic W⁺, W^- a Z⁰. Předpokládá se, že předpověď Higgsova bosonu bude ověřena na urychlovači LHC, v současnosti (2005) budovaném v CERNu.

Navrhované částice za hranicemi standardního modelu

Předpokládá se, že obdobně jako u ostatních interakcí, existuje intermediální boson odpovídající gravitaci. Označuje se graviton a teoreticky jsou předpovězené některé jeho vlastnosti. Zatím pro graviton neexistují žádné experimentální důkazy a neexistuje ani kvantová teorie gravitace. Je možné, že gravitony bude vysvětlovat některá z teorií, které jsou v současnosti předmětem výzkumu (např. teorie superstrun/M-teorie). Supergravitační unitární teorie pole předpokládá částice s názvem gravitino. Gravitina jsou kvanta kalibračního pole, je superpartnerem gravitonu a má spin 3/2 nebo 5/2. Podobně by měly existovat i fotina, což jsou superpartneři fotonů. Z navrhované teoreticky lákavé nové symetrie - supersymetrie - plyne existence značného množství částic-superpartnerů současných částic, označovaných podle vzorů např. skvarky, sleptony, sneutrina nebo nových částic bez partnera jako neutralino apod. Žádná z těchto částic dosud nebyla experimentálně nalezená, ale předpokládá se, že některé by mohly být v blízké budoucnosti v dosahu experimentální fyziky (např. na už zmíněném urychlovači LHC).

Bosony a fermiony

Baryonový oktet

Jedním ze základních rozdílů mezi částicemi je jejich chování ve vícečásticových systémech. Toto chování rozděluje částice na dvě třídy, bosony a fermiony. Rozdíly se projevují ve statistickém chování (tím se myslí chování velkého množství částic jako souboru), (anti)symetričnost vlnové funkce více částic, zda splňují Pauliho vylučovací princip a jejich kreační operátory vyhovují (anti)komutačním relacím, a spinu. Tyto rozdíly spolu vzájemně souvisejí.

• Fermiony mají poločíselný spin (±1/2, ±3/2, ±5/2 atd…), antisymetrickou vlnovou funkci více částic, splňují Pauliho vylučovací princip a jejich kreační operátory vyhovují antikomutačním relacím. Jejich chování určuje Fermiho-Diracova statistika. Jejich zástupcem jsou například leptony, kvarky a baryony (např. proton).

• Bosony mají celočíselný spin (0, ±1, ±2 atd…), symetrickou vlnovou funkci více částic, nesplňují Pauliho vylučovací princip a jejich kreační operátory vyhovují komutačním relacím. Jejich chování určuje Boseho-Einsteinova statistika. Jejich zástupcem jsou například mezony a intermediální částice.

Terminologie

Označení elementární částice má specifické problémy. Přívlastek elementární znamená doslova základní. Běžně se s tím spojují další vlastnosti - dále nedělitelný, bez vnitřní struktury. Ovšem s vývojem poznání se několikrát ukázalo, že částice považované za základní mají vnitřní strukturu a skládají se z částic ještě základnějších. Hadrony (např. proton nebo neutron) byly dlouho považované za nedělitelné, ale standardní model ukazuje, že se skládají z kvarků. Při doslovném výkladu tedy to, které částice jsou elementární, závisí na aktuálním stavu poznání. Takové označení je ale v praxi krajně nevhodné, a tak se s označením elementární částice drží nejen současný obsah (základní částice standardního modelu), ale i poněkud historický obsah, odpovídající významu elementární před přijetím teorie kvarků. Takové použití elementární částice je potřeba chápat jen jako označení, nikoli jako tvrzení autora, že tyto částice jsou bez vnitřní struktury. (Podobně se užívá název atom, což doslova znamená nedělitelný.) Někteří autoři dále pod pojem elementární částice zahrnují i více či méně spekulativní „budoucí“ obsah. To se týká zmíněného Higgsova bosonu (který ovšem teoreticky může existovat v různých „odrůdách“), gravitonu a někdy i superpartnerů.

Úplný přehled

Úplný přehled všech objevených elementárních částic v širším slova smyslu, tedy včetně hadronů (i rezonancí), a jejich vlastností i o výsledcích experimentálního hledání částic hypotetických, zpracovává a aktualizuje mezinárodní sdružení Particle Data Group ve svém přehledu The Review of Particle Physics.^[1]

Reference

1. ↑ http://www-pdg.lbl.gov/

Externí odkazy

• Aldebaran.cz
• Záznam přednášky: Doc. RNDr. Petr Kulhánek, CSc, FEL ČVUT, Astrofyzika 03