Οι βασικές αρχές της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων

Η έννοια των θεμελιωδών, αδιαίρετων σωματιδίων πηγαίνει πίσω στο αρχαίοι Έλληνες (μια έννοια γνωστή ως "ατομισμός"). Τον 20ο αιώνα, οι φυσικοί άρχισαν να εξερευνούν τα βήματα στα πιο μικρά επίπεδα της ύλης και μεταξύ των πιο εντυπωσιακών σύγχρονων ανακαλύψεών τους ήταν η ποσότητα διαφορετικών σωματιδίων στο σύμπαν. Κβαντική φυσική προβλέπει 18 τύπους στοιχειωδών σωματιδίων και 16 έχουν ήδη πειραματικά εντοπιστεί. Η στοιχειώδης φυσική των σωματιδίων στοχεύει να βρει τα υπόλοιπα σωματίδια.

Το πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων, το οποίο ταξινομεί τα στοιχειώδη σωματίδια σε διάφορες ομάδες, βρίσκεται στον πυρήνα της σύγχρονης φυσικής. Σε αυτό το μοντέλο, τρεις από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φυσικής περιγράφονται, μαζί με τους μποζόνες μετρητών, τα σωματίδια που μεσολαβούν στις δυνάμεις αυτές. Αν και η βαρύτητα δεν περιλαμβάνεται τεχνικά στο Πρότυπο Μοντέλο, οι θεωρητικοί φυσικοί εργάζονται για να επεκτείνουν το μοντέλο ώστε να περιλαμβάνουν και να προβλέπουν ένα κβαντική θεωρία της βαρύτητας.

Αν υπάρχει ένα πράγμα που οι φυσικοί σωματιδίων φαίνεται να απολαμβάνουν, χωρίζει τα σωματίδια σε ομάδες. Τα στοιχειώδη σωματίδια είναι τα μικρότερα συστατικά της ύλης και της ενέργειας. Όσον αφορά τους επιστήμονες, δεν φαίνεται να είναι κατασκευασμένοι από συνδυασμούς οποιωνδήποτε μικρότερων σωματιδίων.

Όλα τα στοιχειώδη σωματίδια στη φυσική ταξινομούνται ως είτε φερμιόνια ή bosons. Η κβαντική φυσική καταδεικνύει ότι τα σωματίδια μπορεί να έχουν ένα εγγενές μη μηδέν «περιστροφής», ή στροφορμή, που σχετίζονται με αυτά.

Ένα φερμιόν (που ονομάζεται μετά Enrico Fermi) είναι ένα σωματίδιο με ένα περιστροφικό μισό ακέραιο, ενώ ένα μποζόνιο (το όνομα του οποίου ονομάζεται Satyendra Nath Bose) είναι ένα σωματίδιο με ολόκληρο αριθμό περιστροφών ή ακέραιο αριθμό. Αυτές οι περιστροφές οδηγούν σε διαφορετικές μαθηματικές εφαρμογές σε συγκεκριμένες καταστάσεις. Τα απλά μαθηματικά της προσθήκης ακέραιων αριθμών και μισών ακεραίων δείχνουν τα εξής:

• Ο συνδυασμός ενός περιττού αριθμού φερμιόνων έχει ως αποτέλεσμα μια φερμιόνια επειδή το συνολικό σπιν θα είναι ακόμα μισό ακέραιο.
• Συνδυάζοντας έναν ζυγό αριθμό φερμιόνων οδηγεί σε ένα μποζόν επειδή η συνολική περιστροφή οδηγεί σε μια ακέραια τιμή.

Οι φερμιόνες έχουν περιστροφή σωματιδίων ίση με μισή ακέραια τιμή (-1/2, 1/2, 3/2, κλπ.). Αυτά τα σωματίδια αποτελούν το θέμα που παρατηρούμε στο σύμπαν μας. Τα δύο βασικά συστατικά της ύλης είναι κουάρκ και λεπτόνια. Και τα δύο υποατομικά σωματίδια είναι φερμιόνια, έτσι όλα τα μποζόνια δημιουργούνται από έναν ομοιόμορφο συνδυασμό αυτών των σωματιδίων.

Τα κουάρκ είναι η κλάση των φερμιόνων που απαρτίζουν τα αδρόνια, όπως πρωτόνια και νετρόνια. Τα κουάρκ είναι θεμελιώδη σωματίδια που αλληλεπιδρούν μεταξύ των τεσσάρων βασικών δυνάμεων της φυσικής: βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητισμό, αδύναμη αλληλεπίδραση και ισχυρή αλληλεπίδραση. Τα κουάρκ πάντα υπάρχουν σε συνδυασμό για να σχηματίσουν υποατομικά σωματίδια γνωστά ως αδρόνια. Υπάρχουν έξι διαφορετικοί τύποι κουάρκ:

• Κάτω Κουάρκ
• Strange Quark
• Down Quark
• Κορυφή Quark
• Charm Quark
• Up Quark

Τα λεπτόνια είναι ένας τύπος θεμελιώδους σωματιδίου που δεν έχει ισχυρή αλληλεπίδραση. Υπάρχουν έξι ποικιλίες lepton:

• Ηλεκτρόνιο
• Electron Neutrino
• Muon
• Muon Neutrino
• Τάου
• Tau Neutrino

Κάθε μία από τις τρεις "γεύσεις" του lepton (ηλεκτρόνιο, μιόνιο και tau) αποτελείται από ένα "αδύναμο διπλό", το προαναφερθέν σωματίδιο μαζί με ένα ουσιαστικά μη μαζικό ουδέτερο σωματίδιο που ονομάζεται ουδέτερο. Έτσι, το ηλεκτρόνιο λεπτόν είναι το ασθενές διπλό ηλεκτρόνιο και ηλεκτρόνιο-νετρίνο.

Οι βοσόνες έχουν περιστροφή σωματιδίων ίση με ακέραιο (ολόκληρους αριθμούς όπως 1, 2, 3 κ.ο.κ.). Αυτά τα σωματίδια διαμεσολαβούν τις θεμελιώδεις δυνάμεις της φυσικής κάτω από κβαντικές θεωρίες πεδίου.

• Φωτόνιο
• W Boson
• Z Boson
• Γλουόνη
• Μποζόνιο Χιγκς
• Graviton

Οι αδρόνες είναι σωματίδια που αποτελούνται από πολλαπλά συνδεδεμένα κουάρκ έτσι ώστε η περιστροφή τους να είναι μια μισή ακέραια τιμή. Οι αδρόνες χωρίζονται σε μεσονόνες (που είναι βοσόνια) και βαρυόνια (τα οποία είναι φερμιόνια).

• Mesons
• Baryons
• Νουκλεόνια
• Hyperons: σωματίδια βραχείας διάρκειας που αποτελούνται από περίεργα κουάρκ

Τα μόρια είναι σύνθετες δομές που αποτελούνται από πολλαπλά συνδεδεμένα άτομα. Το βασικό χημικό δομικό στοιχείο της ύλης, τα άτομα αποτελούνται από ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι νουκλεόνια, ο τύπος του βαρυονίου που μαζί σχηματίζουν το σύνθετο σωματίδιο που είναι ο πυρήνας ενός ατόμου. Η μελέτη του πώς οι δεσμοί των ατόμων σχηματίζουν διάφορες μοριακές δομές είναι το θεμέλιο της σύγχρονης χημεία.

Μπορεί να είναι δύσκολο να κρατήσετε όλα τα ονόματα κατ 'ευθείαν στη φυσική σωματιδίων, οπότε ίσως είναι χρήσιμο να σκεφτείτε τον κόσμο των ζώων, όπου μια δομημένη ονομασία μπορεί να είναι πιο οικεία και διαισθητική. Οι άνθρωποι είναι πρωτεύοντα, θηλαστικά, αλλά και σπονδυλωτά. Ομοίως, τα πρωτόνια είναι νουκλεόνια, βαρυόνια, αδρόνια και επίσης φερμιόνια.

Η ατυχής διαφορά είναι ότι οι όροι τείνουν να ακούγονται παρόμοια μεταξύ τους. Η σύγχυση των μποζών και των βαρυονίων, για παράδειγμα, είναι πολύ ευκολότερη από τη σύγχυση των πρωτευόντων και των ασπόνδυλων. Ο μόνος τρόπος για να διατηρήσετε ξεχωριστά αυτές τις διαφορετικές ομάδες σωματιδίων είναι να τις μελετήσετε προσεκτικά και να προσπαθήσετε να είστε προσεκτικοί σχετικά με το όνομα που χρησιμοποιείται.

Επεξεργάστηκε από Anne Marie Helmenstine, Ph. D.