Grunderna i elementär partikelfysik

Begreppet grundläggande, odelbara partiklar går tillbaka till antika greker (ett begrepp som kallas "atomism"). På 1900-talet började fysiker att utforska utvecklingen på de minsta materiens nivåer, och bland deras mest häpnadsväckande moderna upptäckter var mängden olika partiklar i universum. Kvantfysik förutspår 18 typer av elementära partiklar, och 16 har redan experimentellt detekterats. Elementär partikelfysik syftar till att hitta de återstående partiklarna.

Standardmodellen för partikelfysik, som klassificerar elementära partiklar i flera grupper, är kärnan i modern fysik. I denna modell är tre av fyra fysiska grundkrafter beskrivs, tillsammans med gauge-bosoner, partiklarna som medierar dessa krafter. Även om tyngdekraften inte tekniskt ingår i standardmodellen arbetar teoretiska fysiker för att utvidga modellen till att inkludera och förutsäga a kvantteori om gravitation.

Om det finns en sak som partikelfysiker verkar njuta av är det att dela upp partiklar i grupper. Elementära partiklar är de minsta beståndsdelarna av materia och energi. Så långt som forskare kan säga verkar de inte vara tillverkade av kombinationer av mindre partiklar.

Alla elementära partiklar i fysiken klassificeras som antingen fermioner eller bosoner. Kvantfysik visar att partiklar kan ha en inneboende icke-noll "spin" eller vinkelmoment, associerad med dem.

En fermion (uppkallad efter Enrico Fermi) är en partikel med en hel heltal snurr, medan en boson (uppkallad efter Satyendra Nath Bose) är en partikel med ett heltal eller heltalssnurr. Dessa snurr resulterar i olika matematiska applikationer i speciella situationer. Enkel matematik för att lägga till heltal och halva heltal visar följande:

• Att kombinera ett udda antal fermioner resulterar i en fermion eftersom den totala snurrningen fortfarande kommer att vara ett halvtalsvärde.
• Att kombinera ett jämnt antal fermioner resulterar i en boson eftersom det totala snurret resulterar i ett heltal.

Fermions har en partikelsnurr som är lika med ett halvtalsvärde (-1/2, 1/2, 3/2, etc.). Dessa partiklar utgör den fråga som vi observerar i vårt universum. De två grundläggande beståndsdelarna är kvarkar och leptoner. Båda dessa subatomära partiklar är fermioner, så alla bosoner skapas av en jämn kombination av dessa partiklar.

Quarks är klassen fermion som utgör hasroner, som protoner och neutroner. Kvarkar är grundläggande partiklar som samverkar genom alla fyra fysiska grundkrafter: gravitation, elektromagnetism, svag interaktion och stark interaktion. Kvarkar finns alltid i kombination för att bilda subatomära partiklar som kallas hadroner. Det finns sex olika typer av kvark:

• Botten Quark
• Strange Quark
• Down Quark
• Top Quark
• Charm Quark
• Upp Quark

Leptoner är en typ av grundläggande partiklar som inte upplever stark interaktion. Det finns sex leptonsorter:

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

Var och en av de tre "smakerna" av lepton (elektron, muon och tau) består av en "svag dublett", nämnda partikel tillsammans med en praktiskt taget masslös neutral partikel som kallas en neutrino. Således är elektronleptonen den svaga dubletten av elektron och elektronneutrino.

Bosoner har en partikelsnurr lika med ett heltal (hela siffror som 1, 2, 3 och så vidare). Dessa partiklar förmedlar de grundläggande krafterna i fysik under kvantfältsteorier.

• Foton
• W Boson
• Z Boson
• gluon
• Higgs Boson
• Graviton

Hadrons är partiklar som består av flera bundna samman kvarkar så att deras snurr är ett halvtalsvärde. Hadrons är indelade i mesoner (som är bosoner) och baryoner (som är fermioner).

• mesoner
• baryoner
• nukleoner
• Hyperoner: kortlivade partiklar som består av konstiga kvarkar

Molekyler är komplexa strukturer som består av flera atomer bundna samman. Det grundläggande kemiska byggstenen för material, atomer består av elektroner, protoner och neutroner. Protoner och neutroner är nukleoner, den typ av baryon som tillsammans bildar den sammansatta partikeln som är en atomkärna. Studien av hur atomer binds samman för att bilda olika molekylstrukturer är grunden för modern kemi.

Det kan vara svårt att hålla alla namn raka i partikelfysiken, så det kan vara bra att tänka på djurvärlden, där en sådan strukturerad namngivning kan vara mer bekant och intuitiv. Människor är primater, däggdjur och även ryggradsdjur. På samma sätt är protoner nukleoner, baryoner, hadroner och även fermioner.

Den olyckliga skillnaden är att termerna tenderar att låta lika varandra. Att förvirra bosoner och baryoner är till exempel mycket lättare än att förvirra primater och ryggradslösa djur. Det enda sättet att verkligen hålla dessa olika partikelgrupper åtskilda är att bara noggrant studera dem och försöka vara försiktig med vilket namn som används.

Redigerad av Anne Marie Helmenstine, Ph. D.