Elemi részecske

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

A részecskefizikában az elemi részecske megnevezés olyan részecskére utal, 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 állnak. A fizika egyik leglényegesebb célkitűzése, hogy megtalálja a legelemibb részecskéket – avagy az ún. alapvető részecskéket –, amelyekből az összes többi részecske felépíthető, míg maguknak nincsenek még elemibb összetevőik. Ez különbözteti meg őket a többi szubatomi részecskétől.

Tartalomjegyzék

[szerkesztés] Standard modell

A részecskefizika standard modellje 12-féle elemi fermiont (anyagi részecskék) és 12-féle bozont (közvetítő részecskék), valamint antirészecskéiket és a még kísérletileg fel nem fedezett 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.

[szerkesztés] A 12 alapvető anyagi részecske

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.

[szerkesztés] A kölcsönhatásokat közvetítő részecskék

Összesen tehát tizenkét kölcsönhatást közvetítő részecskénk van.

[szerkesztés] A Higgs-bozon

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.

[szerkesztés] A téridő kiterjesztése

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 ai dő függvényében. A koordináták is és az idő is abszolút mennyiségek voltak abban az értelemben, hogy két jelenség távolsága ill. időkülönbsége minden koordinátarendszerben 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.

[szerkesztés] Antirészecskék

A nemrelativisztikus kvantummechanikában a hullámfüggvény és konjugáltjának szorzata egy valós skalármennyiség, a valószínűségi sűrűség eloszlása, ezért a két függvény transzformációs tulajdonságai minden koordinátarendszerben ugyanolyan kapcsolatban állank 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 sját maguk antirészecskéi. Az ilyen részecskék hullámfüggvénye valós, töltésük semleges és valódi semleges részecskéknek hívjuk őket. Ilyen részecske pl. a foton.

[szerkesztés] Szuperpartnerek

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 tuljadonságaival 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.

[szerkesztés] A belső tér (mértékszimmetria) kiterjesztése

Az elektrodinamika mértékszabadságának vizsgálata és a kvantumelektrodinamikai 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.

[szerkesztés] Kölcsönhatások és közvetítőik

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).

[szerkesztés] Szimmetriasértés és Higgs-bozon

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.

[szerkesztés] Lásd még

Részecskefelfedezések évszámokban

Elemi részecskék a fizikában

Szerkeszt
Fermionok: Kvarkok: (Up · Down · Strange · Charm · Bottom · Top) | Leptonok: (Elektron · Müon · Tau · Neutrínók)
Bozonok : Foton | W+, W-- és Z0-bozonok | Gluonok | Higgs-bozon | Graviton