Elementarpartikel

Inom partikelfysik är en elementarpartikel eller fundamental partikel en subatomär partikel som inte är sammansatt av andra partiklar. Partiklar som för närvarande anses vara elementära inkluderar elektroner , de fundamentala fermionerna ( kvarkar , leptoner , antikvarkar och antileptoner , som i allmänhet är materiepartiklar och antimateriapartiklar ), såväl som de fundamentala bosonerna ( gage-bosoner och Higgs-bosonen ), som i allmänhet är kraftpartiklar som förmedlar interaktioner mellan fermioner. En partikel som innehåller två eller flera elementarpartiklar är en kompositpartikel .

Vanlig materia är sammansatt av atomer , som en gång antogs vara elementarpartiklar – atomos som betyder "inte kan skäras" på grekiska – även om atomens existens förblev kontroversiell fram till omkring 1905, eftersom vissa ledande fysiker betraktade molekyler som matematiska illusioner, och materia som i slutändan sammansatt av energi . Subatomära beståndsdelar av atomen identifierades först i början av 1930-talet; elektronen och protonen , tillsammans med fotonen , partikeln av elektromagnetisk strålning . Vid den tiden förändrade kvantmekanikens senaste tillkomst radikalt uppfattningen om partiklar, eftersom en enskild partikel till synes kan spänna över ett fält liksom en våg , en paradox som fortfarande inte kan förklaras tillfredsställande.

Via kvantteorin visade sig protoner och neutroner innehålla kvarkar – uppåtkvarkar och nedkvarkar – som nu betraktas som elementarpartiklar. Och inom en molekyl kan elektronens tre frihetsgrader ( laddning , spinn , orbital ) separeras via vågfunktionen i tre kvasipartiklar ( holon , spinon och orbiton ). Ändå verkar en fri elektron – en som inte kretsar kring en atomkärna och därför saknar orbital rörelse – odelbar och förblir betraktad som en elementarpartikel.

Omkring 1980 förkastades en elementarpartikels status som faktiskt elementär – en yttersta beståndsdel av substans – mestadels för en mer praktisk syn, förkroppsligad i partikelfysikens standardmodell , vad som är känt som vetenskapens mest experimentellt framgångsrika teori. Många utarbetningar av och teorier bortom standardmodellen , inklusive supersymmetri , fördubblar antalet elementarpartiklar genom att anta att varje känd partikel associerar med en "skugg"-partner som är mycket mer massiv, även om alla sådana superpartners förblir oupptäckta. Samtidigt förblir ett elementärt boson som förmedlar gravitation – gravitonen – hypotetisk. Dessutom, enligt vissa hypoteser, är rumtiden kvantiserad, så inom dessa hypoteser finns det förmodligen "atomer" av rum och tid själva.

Översikt

Alla elementarpartiklar är antingen bosoner eller fermioner . Dessa klasser kännetecknas av sin kvantstatistik : fermioner lyder Fermi-Dirac-statistik och bosoner lyder Bose-Einstein-statistik . Deras spinn är differentierad via spin-statistik-satsen : det är ett halvt heltal för fermioner och ett heltal för bosoner.

Elementarpartiklar

Elementära fermioner Halvheltalsspin - Följ Fermi–Dirac statistiken

Elementära bosoner Heltalssnurr - Följ Bose–Einstein statistiken

Kvarkar och antikvarkar Spin = 1 2 Har färgladdning Delta i starka interaktioner

Leptoner och antileptoner Spin = 1 2 Ingen färgladdning Elektrosvaga interaktioner

Mätbosoner Spin = 1, 2 ^[‡] Kraftbärare

Skalära bosoner Spin = 0

Tre generationer

Upp (u), ner (d)
Charm (c), konstigt (s)
Överst (t), Nederst (b)

Tre generationer

Elektron (
e ⁻
), ^[†] Elektronneutrino ( $ν e$ )
Muon (
μ ⁻
), Muon neutrino ( $ν μ$ )
Tau (
τ ⁻
), Tau neutrino ( $ν τ$ )

Fyra sorter

Foton (
γ
; elektromagnetisk interaktion )
W- och Z-bosoner ( W
+ ^,
W-
, ^Z

;
svag interaktion )
Åtta typer av gluoner (
g
; stark interaktion )
Graviton ( hypotetisk ) (
G
; gravitation ) ^[‡]

Unik Higgs boson (
H ⁰
)

Anmärkningar : [†] En antielektron (
e ⁺
) kallas konventionellt en " positron ". [‡] De kända kraftbärarbosonerna har alla spin = 1 och är därför vektorbosoner. Den hypotetiska gravitonen har spin = 2 och är en tensorboson; det är okänt om det också är en mätboson.

I standardmodellen representeras elementarpartiklar för prediktiv användbarhet som punktpartiklar . Även om den är extremt framgångsrik, är standardmodellen begränsad av sin utelämnande av gravitation och har några parametrar godtyckligt tillagda men oförklarade.

Kosmiskt överflöd av elementarpartiklar

Enligt de nuvarande modellerna för nukleosyntes av big bang bör den ursprungliga sammansättningen av synlig materia i universum vara cirka 75% väte och 25% helium-4 (i massa). Neutroner består av en upp- och två nedkvarkar, medan protoner är gjorda av två upp- och en nedkvarkar. Eftersom de andra vanliga elementarpartiklarna (som elektroner, neutriner eller svaga bosoner) är så lätta eller så sällsynta jämfört med atomkärnor, kan vi försumma deras massabidrag till det observerbara universums totala massa. Därför kan man dra slutsatsen att det mesta av universums synliga massa består av protoner och neutroner, som, liksom alla baryoner , i sin tur består av upp- och nerkvarkar.

Vissa uppskattningar antyder att det finns ungefär 10 ⁸⁰ baryoner (nästan helt och hållet protoner och neutroner) i det observerbara universum.

Antalet protoner i det observerbara universum kallas Eddington-talet .

När det gäller antalet partiklar, antyder vissa uppskattningar att nästan all materia, exklusive mörk materia , förekommer i neutriner, som utgör majoriteten av de ungefär 10 ⁸⁶ elementarpartiklar av materia som finns i det synliga universum. Andra uppskattningar antyder att ungefär 10 ⁹⁷ elementarpartiklar existerar i det synliga universum (inte inklusive mörk materia ), mestadels fotoner och andra masslösa kraftbärare.

Standardmodell

Standardmodellen för partikelfysik innehåller 12 smaker av elementära fermioner , plus deras motsvarande antipartiklar , såväl som elementära bosoner som förmedlar krafterna och Higgs-bosonen , som rapporterades den 4 juli 2012, som sannolikt har upptäckts av de två huvudsakliga experiment vid Large Hadron Collider ( ATLAS och CMS ). Standardmodellen anses allmänt vara en provisorisk teori snarare än en verkligt grundläggande teori, eftersom det inte är känt om den är förenlig med Einsteins allmänna relativitetsteori . Det kan finnas hypotetiska elementarpartiklar som inte beskrivs av standardmodellen, såsom gravitonen, partikeln som skulle bära gravitationskraften , och spartiklar , supersymmetriska partner till de vanliga partiklarna.

Grundläggande fermioner

De 12 grundläggande fermionerna är indelade i 3 generationer med 4 partiklar vardera. Hälften av fermionerna är leptoner , varav tre har en elektrisk laddning på −1, kallad elektronen (
e ⁻
), myonen (
μ ⁻
) och tauen (
τ ⁻
); de andra tre leptonerna är neutrinos (
ν
_e ,
ν
_μ ,
ν
_τ ), som är de enda elementära fermionerna med varken elektrisk eller färgladdning. De återstående sex partiklarna är kvarkar (diskuteras nedan).

Generationer

**Partikelgenerationer**
leptoner
Första generationens		Andra generationen		Tredje generationen
namn	Symbol	namn	Symbol	namn	Symbol
elektron	e ⁻	muon	μ ⁻	tau	τ ⁻
elektronneutrino	$ν e$	muon neutrino	$ν μ$	tau neutrino	$ν τ$
Quarks
Första generationens		Andra generationen		Tredje generationen
upp kvarg	u	charmkvarg	c	toppkvarg	t
ner kvarg	d	märklig kvarg	s	bottenkvarg	b

Massa

Följande tabell listar aktuella uppmätta massor och massuppskattningar för alla fermioner, med samma mätskala: miljoner elektronvolt i förhållande till kvadraten på ljushastigheten (MeV/c ² ). Till exempel är den mest exakta kända kvarkmassan av toppkvarken (
t
) vid 172,7 GeV/ c ² eller 172 700 MeV/ c ² , uppskattad med hjälp av On-shell-schemat .

Aktuella värden för elementära fermionmassor
Partikelsymbol	Partikelnamn	Massvärde	Schema för uppskattning av kvarkmassa (punkt)
$ν e, ν μ, ν τ$	Neutrino (vilken typ som helst)	< 2 eV/ c ²
e ⁻	Elektron	0,511 MeV/ c ²
u	Upp kvarg	1,9 MeV/ c ²	MSbar-schema ( μ _MS = 2 GeV )
d	Dunkvarg	4,4 MeV/ c ²	MSbar-schema ( μ _MS = 2 GeV )
s	Konstig kvarg	87 MeV/ c ²	MSbar-schema ( μ _MS = 2 GeV )
μ ⁻	Muon ( Mu lepton )	105,7 MeV/ c ²
c	Charmkvarg	1320 MeV/ c ²	MSbar-schema ( μ _MS = m _c )
τ ⁻	Tauon ( tau lepton )	1780 MeV/ c ²
b	Bottenkvarg	4240 MeV/ c ²	MSbar-schema ( μ _MS = m _b )
t	Toppkvarg	172 700 MeV/ c ²	On-shell-schema

Uppskattningar av värdena för kvarkmassor beror på versionen av kvantkromodynamik som används för att beskriva kvarkinteraktioner. Kvarkar är alltid instängda i ett hölje av gluoner som ger mycket större massa till mesonerna och baryonerna där kvarkar förekommer, så värden för kvarkmassor kan inte mätas direkt. Eftersom deras massor är så små jämfört med den effektiva massan av de omgivande gluonerna, gör små skillnader i beräkningen stora skillnader i massorna.

Antipartiklar

Det finns också 12 fundamentala fermioniska antipartiklar som motsvarar dessa 12 partiklar. Till exempel antielektronen (positronen)
e ⁺
elektronens antipartikel och har en elektrisk laddning på +1.

**Partikelgenerationer**
Antileptoner
Första generationens		Andra generationen		Tredje generationen
namn	Symbol	namn	Symbol	namn	Symbol
positron	e ⁺	antimyon	μ ⁺	antitau	τ ⁺
elektron antineutrino	$ν e$	muon antineutrino	$ν μ$	tau antineutrino	$ν τ$
Antikvarker
Första generationens		Andra generationen		Tredje generationen
upp antikvark	u	charm antikvark	c	topp antikvark	t
ner antikvark	d	märklig antikvark	s	botten antikvark	b

Quarks

Isolerade kvarkar och antikvarkar har aldrig upptäckts, ett faktum som förklaras av inneslutning . Varje kvark bär en av tre färgladdningar av den starka interaktionen ; antikvarkar bär på samma sätt antifärg. Färgladdade partiklar interagerar via gluonutbyte på samma sätt som laddade partiklar interagerar via fotonutbyte . Gluoner är själva färgladdade, vilket resulterar i en förstärkning av den starka kraften när färgladdade partiklar separeras. Till skillnad från den elektromagnetiska kraften , som minskar när laddade partiklar separeras, känner färgladdade partiklar ökande kraft.

Ändå kan färgladdade partiklar kombineras för att bilda färgneutrala kompositpartiklar som kallas hadroner . En kvark kan paras ihop med en antikvark: kvarken har en färg och antikvarken har motsvarande antifärg. Färgen och antifärgen tar bort och bildar en färgneutral meson . Alternativt kan tre kvarkar existera tillsammans, en kvark är "röd", en annan "blå", en annan "grön". Dessa tre färgade kvarkar bildar tillsammans en färgneutral baryon . Symmetriskt kan tre antikvarkar med färgerna "antired", "antiblue" och "antigreen" bilda en färgneutral antibaryon .

Quarks bär också fraktionerade elektriska laddningar , men eftersom de är instängda inom hadroner vars laddningar alla är integral, har fraktionerad laddning aldrig isolerats. Observera att kvarkar har elektriska laddningar på antingen + 2 ⁄ 3 eller − 1 ⁄ 3 , medan antikvarkar har motsvarande elektriska laddningar på antingen − 2 ⁄ 3 eller + 1 ⁄ 3 .

Bevis för förekomsten av kvarkar kommer från djup oelastisk spridning : avfyring av elektroner mot kärnor för att bestämma fördelningen av laddning inom nukleoner (som är baryoner). Om laddningen är enhetlig bör det elektriska fältet runt protonen vara enhetligt och elektronen bör spridas elastiskt. Lågenergielektroner sprids på detta sätt, men ovanför en viss energi avleder protonerna vissa elektroner genom stora vinklar. Den rekylerande elektronen har mycket mindre energi och en stråle av partiklar sänds ut. Denna oelastiska spridning tyder på att laddningen i protonen inte är enhetlig utan delad mellan mindre laddade partiklar: kvarkar.

Grundläggande bosoner

I standardmodellen förmedlar vektor ( spin -1) bosoner ( gluoner , fotoner och W- och Z-bosonerna ) krafter, medan Higgs-bosonen (spin-0) är ansvarig för den inneboende massan av partiklar. Bosoner skiljer sig från fermioner i det faktum att flera bosoner kan uppta samma kvanttillstånd ( Pauli uteslutningsprincipen ) . Dessutom kan bosoner vara antingen elementära, som fotoner, eller en kombination, som mesoner . Spinn av bosoner är heltal istället för halva heltal.

Gluoner

Gluoner förmedlar den starka växelverkan , som sammanfogar kvarkar och därigenom bildar hadroner , som antingen är baryoner (tre kvarkar) eller mesoner (en kvark och en antikvark). Protoner och neutroner är baryoner, sammanfogade av gluoner för att bilda atomkärnan . Liksom kvarkar uppvisar gluoner färg och antifärg – utan samband med konceptet visuell färg och snarare partiklarnas starka interaktioner – ibland i kombinationer, totalt åtta varianter av gluoner.

Elektrosvaga bosoner

⁰⁰ Det finns tre svaga bosoner : W ⁺^, W− och Z ; dessa förmedlar den svaga interaktionen . W-bosonerna är kända för sin förmedling i kärnsönderfall: W ⁻ omvandlar en neutron till en proton och sönderfaller sedan till ett elektron- och elektron-antineutrino-par. Z:et omvandlar inte partikelsmak eller laddningar, utan ändrar snarare fart; det är den enda mekanismen för elastiskt spridning av neutriner. De svaga gauge-bosonerna upptäcktes på grund av momentumförändring i elektroner från neutrino-Z-utbyte. Den masslösa fotonen förmedlar den elektromagnetiska interaktionen . Dessa fyra gauge bosoner bildar den elektrosvaga interaktionen mellan elementarpartiklar.

Higgs boson

Även om de svaga och elektromagnetiska krafterna verkar helt olika för oss vid vardagsenergier, är de två krafterna teoretiserade att förenas som en enda elektrosvag kraft vid höga energier. Denna förutsägelse bekräftades tydligt genom mätningar av tvärsnitt för högenergielektron-protonspridning vid HERA -kollideren vid DESY . Skillnaderna vid låga energier är en konsekvens av de höga massorna av W- och Z-bosonerna, som i sin tur är en konsekvens av Higgs-mekanismen . Genom processen av spontan symmetribrytning väljer Higgs en speciell riktning i det elektrosvaga utrymmet som gör att tre elektrosvaga partiklar blir väldigt tunga (de svaga bosonerna) och en förblir med en odefinierad vilomassa eftersom den alltid är i rörelse (fotonen) . Den 4 juli 2012, efter många år av experimentellt sökande efter bevis på dess existens, Higgs-bosonen hade observerats vid CERNs Large Hadron Collider. Peter Higgs som först ansåg att Higgs-bosonen existerade var närvarande vid tillkännagivandet. Higgs-bosonen tros ha en massa på cirka 125 GeV. Den statistiska signifikansen av denna upptäckt rapporterades som 5 sigma, vilket innebär en säkerhet på ungefär 99,99994 %. Inom partikelfysik är detta den nivå av betydelse som krävs för att officiellt märka experimentella observationer som en upptäckt . Forskningen om egenskaperna hos den nyupptäckta partikeln fortsätter.

Graviton

Graviton är en hypotetisk elementär spin-2-partikel som föreslås för att mediera gravitation . Även om det förblir oupptäckt på grund av svårigheten i dess upptäckt, ingår det ibland i tabeller över elementära partiklar. Den konventionella gravitonen är masslös, även om vissa modeller som innehåller massiva Kaluza–Klein gravitoner finns.

Bortom standardmodellen

Även om experimentella bevis överväldigande bekräftar förutsägelserna som härrör från standardmodellen, lades några av dess parametrar till godtyckligt, inte bestämda av en speciell förklaring, som förblir mystiska, till exempel hierarkiproblemet . Teorier bortom standardmodellen försöker lösa dessa brister.

Stor förening

En förlängning av standardmodellen försöker kombinera den elektrosvaga interaktionen med den starka interaktionen till en enda "grand unified theory" (GUT). En sådan kraft skulle spontant brytas upp i de tre krafterna av en Higgs-liknande mekanism . Denna nedbrytning är teoretiserad att inträffa vid höga energier, vilket gör det svårt att observera enande i ett laboratorium. Den mest dramatiska förutsägelsen av storslagen enande är förekomsten av X- och Y-bosoner , som orsakar protonsönderfall . Icke-observationen av protonsönderfall vid Super-Kamiokande neutrinoobservatoriet utesluter dock de enklaste GUT, inklusive SU(5) och SO(10).

Supersymmetri

Supersymmetri utökar standardmodellen genom att lägga till ytterligare en klass av symmetrier till Lagrangian . Dessa symmetrier utbyter fermioniska partiklar med bosoniska . En sådan symmetri förutsäger förekomsten av supersymmetriska partiklar , förkortade som spartlar , som inkluderar sleptonerna , squarks , neutralinos och charginos . Varje partikel i standardmodellen skulle ha en superpartner vars 1⁄2 . spin skiljer sig med från den vanliga partikeln På grund av att supersymmetri bryts , är spånorna mycket tyngre än sina vanliga motsvarigheter; de är så tunga att befintliga partikelkolliderare inte skulle vara tillräckligt kraftfulla för att producera dem. Vissa fysiker tror att spartiklar kommer att upptäckas av Large Hadron Collider vid CERN .

Strängteorin

Strängteori är en fysikmodell där alla "partiklar" som utgör materia är sammansatta av strängar (mätt vid Planck-längden) som existerar i en 11-dimensionell (enligt M-teorin , den ledande versionen) eller 12-dimensionell ( enligt F-teorin ) universum. Dessa strängar vibrerar vid olika frekvenser som bestämmer massa, elektrisk laddning, färgladdning och spinn. En "sträng" kan vara öppen (en linje) eller sluten i en slinga (en endimensionell sfär, det vill säga en cirkel). När en sträng rör sig genom rymden sveper den ut något som kallas ett världsark . Strängteorin förutsäger 1- till 10-braner (en 1- bran är en sträng och en 10-bran är ett 10-dimensionellt objekt) som förhindrar revor i rymdens "tyg" med hjälp av osäkerhetsprincipen (t.ex. elektronen som kretsar runt en väteatomen har sannolikheten, om än liten, att den kan vara någon annanstans i universum när som helst).

Strängteorin föreslår att vårt universum bara är en 4-bran, inuti vilken finns de 3 rymddimensionerna och den 1 tidsdimensionen som vi observerar. De återstående 7 teoretiska dimensionerna är antingen mycket små och ihoprullade (och för små för att vara makroskopiskt tillgängliga) eller helt enkelt inte/kan inte existera i vårt universum (eftersom de existerar i ett större schema som kallas "multiversum" utanför vårt kända universum ) .

Några förutsägelser av strängteorin inkluderar förekomsten av extremt massiva motsvarigheter till vanliga partiklar på grund av vibrationsexcitationer av den grundläggande strängen och förekomsten av en masslös spin-2-partikel som beter sig som gravitonen .

Technicolor

Technicolor-teorier försöker modifiera standardmodellen på ett minimalt sätt genom att introducera en ny QCD-liknande interaktion. Detta innebär att man lägger till en ny teori om så kallade Techniquarks, som interagerar via så kallade Technigluons. Huvudtanken är att Higgs-bosonen inte är en elementarpartikel utan ett bundet tillstånd för dessa objekt.

Preon teori

Enligt preon-teorin finns det en eller flera ordningar av partiklar som är mer fundamentala än de (eller de flesta av dem) som finns i standardmodellen. De mest grundläggande av dessa kallas normalt preoner, som härrör från "förkvarkar". I huvudsak försöker preon-teorin göra för standardmodellen vad standardmodellen gjorde för partikelzoon som kom före den. De flesta modeller antar att nästan allt i standardmodellen kan förklaras i termer av tre till sex mer fundamentala partiklar och de regler som styr deras interaktioner. Intresset för preoner har avtagit sedan de enklaste modellerna experimentellt uteslöts på 1980-talet.

Acceleron teori

Acceleroner är de hypotetiska subatomära partiklarna som integrerar den nyfunna massan av neutrinon till den mörka energin som antas accelerera universums expansion .

I denna teori påverkas neutriner av en ny kraft som är ett resultat av deras interaktioner med acceleroner, vilket leder till mörk energi. Mörk energi uppstår när universum försöker dra isär neutriner. Acceleroner tros interagera med materia mer sällan än de gör med neutriner.

Se även

Anteckningar

Vidare läsning

Allmänna läsare

Feynman, RP & Weinberg, S. (1987) Elementarpartiklar och fysikens lagar: 1986 års Dirac Memorial Lectures . Cambridge Univ. Tryck.
Ford, Kenneth W. (2005) Kvantvärlden . Harvard Univ. Tryck.
Greene, Brian (1999). Det eleganta universum . WWNorton & Company. ISBN 978-0-393-05858-1 .
John Gribbin (2000) Q är för Quantum – An Encyclopedia of Particle Physics . Simon & Schuster. ISBN 0-684-85578-X .
Oerter, Robert (2006) Teorin om nästan allt: standardmodellen, den moderna fysikens unsung triumf . Plym.
Schumm, Bruce A. (2004) Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics . Johns Hopkins University Press. ISBN 0-8018-7971-X .
Veltman, Martinus (2003). Fakta och mysterier i elementarpartikelfysik . World Scientific . ISBN 978-981-238-149-1 .
Nära, Frank (2004). Partikelfysik: En mycket kort introduktion . Oxford: Oxford University Press . ISBN 978-0-19-280434-1 .
Seiden, Abraham (2005). Partikelfysik: En omfattande introduktion . Addison Wesley . ISBN 978-0-8053-8736-0 .

Läroböcker

Bettini, Alessandro (2008) Introduktion till elementarpartikelfysik . Cambridge Univ. Tryck. ISBN 978-0-521-88021-3
Coughlan, GD, JE Dodd och BM Gripaios (2006) The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists, 3:e upplagan. Cambridge Univ. Tryck. En grundutbildningstext för dig som inte har fysik som huvudämne.
Griffiths, David J. (1987) Introduktion till elementära partiklar . John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4 .
Kane, Gordon L. (1987). Modern elementarpartikelfysik . Perseus böcker . ISBN 978-0-201-11749-3 .
Perkins, Donald H. (2000) Introduktion till högenergifysik , 4:e upplagan. Cambridge Univ. Tryck.

externa länkar

Den viktigaste adressen om den aktuella experimentella och teoretiska kunskapen om elementarpartikelfysik är Particle Data Group , där olika internationella institutioner samlar all experimentell data och ger korta genomgångar över den samtida teoretiska förståelsen.

"Partikeldatagrupp (hemsida)" .

andra sidor är:

particleadventure.org , en välgjord introduktion även för icke-fysiker
CERNCourier: Season of Higgs och melodrama Arkiverad 2008-07-23 på Wayback Machine
Interactions.org , nyheter om partikelfysik
Symmetry Magazine , en gemensam Fermilab / SLAC -publikation
Elementarpartiklar gjort tänkbara , en interaktiv visualisering som gör att fysiska egenskaper kan jämföras