Cząstki elementarne są najmniejszymi znanymi elementami budującymi wszechświat. Uważa się, że nie mają one wewnętrznej struktury, co oznacza, że badacze myślą o nich jako punktach zero-wymiarowych, które nie zajmują przestrzeni. Elektrony są prawdopodobnie najbardziej znanymi cząstkami elementarnymi, ale standardowy model fizyki, który opisuje interakcje cząstek i prawie wszystkie siły, rozpoznaje 10 całkowitych cząstek elementarnych.
Elektrony i powiązane cząstki
Elektrony są ujemnie naładowanymi składnikami atomów. Chociaż uważa się je za cząstki punktowe o zerowym wymiarze, elektrony są otoczone chmurą innych wirtualnych cząstek stale mrugających i znikających, które zasadniczo działają jako część samego elektronu. Niektóre teorie przewidywały, że elektron ma lekko dodatni biegun i lekko ujemny biegun, co oznacza, że ta chmura wirtualnych cząstek powinna być zatem nieco asymetryczna.
Gdyby tak było, elektrony mogłyby zachowywać się inaczej niż ich podwójne antymateria, pozytony, potencjalnie wyjaśniając wiele tajemnic dotyczących materii i antymaterii. Ale fizycy wielokrotnie mierzyli kształt elektronu i stwierdzili, że jest on idealnie okrągły według najlepszej wiedzy, pozostawiając go bez odpowiedzi na zagadki antymaterii.
Elektron ma dwóch cięższych kuzynów, zwanych mionem i tau. Miony mogą powstawać, gdy wysokoenergetyczne promienie kosmiczne z kosmosu uderzą w górną część ziemskiej atmosfery, tworząc deszcz egzotycznych cząstek. Taus są jeszcze rzadsze i trudniejsze do wyprodukowania, ponieważ są ponad 3400 razy cięższe od elektronów. Neutrina, elektrony, miony i taus tworzą kategorię podstawowych cząstek zwanych leptonami.
Kwarki i ich dziwactwo
Kwarki, które tworzą protony i neutrony, są innym rodzajem cząstek podstawowych. Wraz z leptonami kwarki tworzą rzeczy, które uważamy za materię.
Dawno, dawno temu naukowcy uważali, że atomy są najmniejszymi możliwymi obiektami; słowo pochodzi od greckiego „atomos”, co oznacza „niepodzielny”. Na przełomie XIX i XX wieku jądra atomowe składały się z protonów i neutronów. Następnie, w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych, akceleratory cząstek ujawniały mnóstwo egzotycznych cząstek subatomowych, takich jak piony i kaony.
W 1964 roku fizycy Murray Gell-Mann i George Zweig niezależnie zaproponowali model, który mógłby wyjaśnić wewnętrzne działanie protonów, neutronów i reszty zoo cząstek, zgodnie z historycznym raportem SLAC National Accelerator Laboratory w Kalifornii. Wewnątrz protonów i neutronów znajdują się małe cząsteczki zwane kwarkami, które występują w sześciu możliwych typach lub smakach: góra, dół, dziwność, urok, dół i góra.
Protony są zbudowane z dwóch kwarków górnych i kwarków dolnych, podczas gdy neutrony składają się z dwóch dolników i wzlotów. Kwarki w górę iw dół to najlżejsze odmiany. Ponieważ bardziej masywne cząstki rozpadają się na mniej masywne, kwarki wznoszące i opadające są również najbardziej powszechne we wszechświecie; dlatego protony i neutrony stanowią większość materii, którą znamy.
Do 1977 r. Fizycy wyizolowali pięć z sześciu kwarków w laboratorium - góra, dół, dziwny, urok i dno - ale dopiero w 1995 r. Naukowcy z Fermilab National Accelerator Laboratory w Illinois znaleźli kwark końcowy, kwark górny. Poszukiwanie go było tak intensywne, jak późniejsze polowanie na bozon Higgsa. Najwyższy kwark był tak trudny do wyprodukowania, ponieważ jest około 100 trylionów razy cięższy niż kwarki górne, co oznacza, że w akceleratorach cząstek wymagało znacznie więcej energii.
Podstawowe cząstki natury
Są też cztery podstawowe siły natury: elektromagnetyzm, grawitacja oraz silne i słabe siły jądrowe. Każda z nich ma powiązaną cząstkę fundamentalną.
Fotony są najbardziej znanymi; przenoszą siłę elektromagnetyczną. Gluony przenoszą silną siłę jądrową i zamieszkują kwarki wewnątrz protonów i neutronów. Słaba siła, która pośredniczy w niektórych reakcjach jądrowych, jest przenoszona przez dwie podstawowe cząstki, bozony W i Z. Neutrina, które wyczuwają jedynie słabą siłę i grawitację, wchodzą w interakcje z tymi bozonami, więc fizycy byli w stanie najpierw udowodnić ich istnienie za pomocą neutrin, według CERN.
Grawitacja jest tutaj postronna. Nie jest włączony do Modelu Standardowego, chociaż fizycy podejrzewają, że może on mieć powiązaną cząstkę fundamentalną, którą nazwano by grawitonem. Jeśli grawitony istnieją, możliwe byłoby ich utworzenie w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w Genewie w Szwajcarii, ale szybko zniknęłyby w dodatkowych wymiarach, pozostawiając pustą strefę, w której byłyby, według CERN. Do tej pory LHC nie widział żadnych dowodów na grawitony ani dodatkowe wymiary.
Nieuchwytny bozon Higgsa
Wreszcie istnieje bozon Higgsa, król cząstek elementarnych, który jest odpowiedzialny za nadanie wszystkim pozostałym cząsteczkom ich masy. Polowanie na Higgsa było ważnym przedsięwzięciem dla naukowców dążących do uzupełnienia katalogu Modelu Standardowego. Kiedy Higgs został w końcu zauważony, w 2012 roku fizycy cieszyli się, ale wyniki sprawiły, że znaleźli się w trudnym miejscu.
Higgs wygląda dokładnie tak, jak przewidywano, ale naukowcy liczyli na więcej. Model standardowy jest znany jako niekompletny; na przykład brakuje w nim opisu grawitacji, a naukowcy sądzili, że znalezienie Higgsa pomogłoby wskazać inne teorie, które mogłyby zastąpić Model Standardowy. Ale do tej pory wyszli na pustkę podczas tych poszukiwań.
Dodatkowy zasoby:
