Elementárna častica: Rozdiel medzi revíziami
Smazaný obsah Přidaný obsah
→Častice: pravopis |
Bez shrnutí editace |
||
Riadok 1:
[[Image:Standard Model of Elementary Particles.svg|thumb|300px| Štandardný model elementárnych častíc]]
Elementárnou alebo základnou časticou sa vo fyzike rozumie častica, ktorá nemá žiadnu známu vnútornú štruktúru tzn. nie je známe, že by sa skladal z menších častíc. Ak základná častica naozaj nemá žiadnu vnútornú štruktúru, tak sa považuje za základný stvebný prvok vesmíru, z ktorého sa skladajú ostatné častice. Elementárne častice Štandardného modelu sa skladajú zo základných fermiónov ( kvarky, leptóny a ich antičastice) a zo základných bozónov ( výmenné častice a Higgsov bozón). <ref>{{cite book |author=Gribbin, John | title=Q is for Quantum - An Encyclopedia of Particle Physics | publisher=Simon & Schuster |year=2000 |isbn=0-684-85578-X}}</ref><ref>{{cite book | author=Clark, John, E.O. | title=The Essential Dictionary of Science |publisher=Barnes & Noble |year=2004 | isbn=0-7607-4616-8}}
</ref>
V minulosti sa hadróny ( mezóny a baryóny ako protóny a neutróny) a dokonca aj celé atómy považovali za elementárne častice ( slovo atóm znamení nedeliteľný). Podstatou teórie základných častíc je myšlienka zo začiatku 20. storočia a to teória o kvantách, ktorá radikálne zmenila naše chápanie elektromagnetického žiarenia a na jej základe vznikla kvantová mechanika. Pre potreby matematiky sa elementárne častice povaýujú za bodové častice, aj keď niektoré časticové teórie ako napr. teória strún predpokladajú , že majú fyzikálne rozmery.
==Prehľad==
{{Hlavný článok|Štandardný model}}
Podľa Štandardného modelu patria všetky elementárne častice buď medzi bozóny alebo fermióny ( v závislosti od hodnoty spinu). Teóra spinovej štatistiky určuje výslednú kvantovú štatistiku, podľa ktorej rozlišujeme bozóny a fermióny. Podľa tejto metodológie, častiče bežne spájané s hmotou sú fermióny . Majú poločíselnu hodnotu spinu a delíme ich do dvanástich vôní.
Častice spájané so základnými silami sú bozóny a ich spin má celočíselnú hodnotu. <ref>
{{cite book
| author=Veltman, Martinus
| year=2003
| title=Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics
| publisher=[[World Scientific]]
| isbn=981-238-149-X
}}</ref>
Základné fermióny (častice hmoty):
Kvarky:
horný, dolný, pôvabný, podivný, vrchný a spodný
Leptóny:
elektrón, elektrónové neutríno, muón, muónové neutríno, tau a tau neutríno
Základné bozóny (častice prenášajúce sily):
Kalibračné bozóny:
gluón, W a Z bozón, fotón
Iné bozóny:
Higgsov bozón
Poslednou neobjavenou časticou z týchto je Higgsov bozón, ale jeho existenciu sa snažia potvrdiť alebo vyvrátiť vo Veľkom hadrónovom urýchľovači. Môžu existovať aj ďaľšie elementárne častice ako gravitón, ktorý by mal sprostredkovať prenos gravitácie. Tieto častice sú ale za hranicami Štandardného modelu.
== Bežné elementárne častice ==
Niekoľko odhadov tvrdí, že prakticky všetku hmotu, z pohľadu hmotnosti vo viditeľnom vesmíre , (okrem tmavej hmoty) tvoria protóny v atómoch vodíka. Ďalej tvrdí, že vo viditeľnom vesmíre existuje zhruba {{10^|80}} protónov ( Eddingtonovo číslo) a zhruba {{10^|80}} atómov.<ref>
{{cite book
|author=Penrose, Roger
|year=1989
|title=[[The Emperor's New Mind]]
|page=
|publisher=
|isbn=
}}</ref> Každý protón sa skladá z 3 základných častíc: dvoch horných kvarkov a jedného dolného kvarku. Neutróny a ostatné častice tažšie ako protón, ako napr. hélium a iné, sú také zriedkavé, že ich spoločná hmotnosť je omnoho menšia v porovnaní s hmotnosťou protónov v atómoch vodíka. Ľahšie častice, ako rovnako početné elektróny a mnohokrát viac zastúpené neutrína , sú o toľko ľahšie ako protóny, že ich celková hmotnosť vo viditeľnom vesmíre je v porovnaní s hmotnosťou protónou nepredstavitľne menšia
Iné odhady tvrdia, že prakticky všetka hmota vo viditeľnom vesmíre (okrem tmavej hmoty, keď berieme do úvahy počet častíc, existuje vo forme neutrín. Odhaduje sa, že vo viditeľnom vesmíre existuje približne {{10^|86}} elementárnych častíc, z veľkej väčšiny neutrín. .<ref name="mrob">
{{cite web
|author=Munafo, Robert
|title=Notable Properties of Specific Numbers"] by Robert Munafo
|url=http://mrob.com/pub/math/numbers-19.html
|work=The Published Data of Robert Munafo
|accessdate=2011-10-12
}}</ref> Ďaľšie odhady predpokladajú až {{10^|97}} elementárnych častíc , prevažne fotónov, gravitónov a ďaľších nehmotných častíc prenášajúcich sily.<ref name="mrob" />
== Štandarný model ==
{{Hlavný článok|Štandarný model}}
Štandarný model časticovej fyziky sa pozostáva z 12 vôní základných fermiónov a ich antičastíc a z elementárnych bozónov, ktoré sprostredkujú prenos síl a zo zatiaľ neobjaveného Higgsovho bozónu. Pretože nie je známe či je Štandardný model kompatibilný s Einsteinovou Všeobecnou teóriu relativity, je všeobecne považovaný skôr za provizórnu teóriu ako za skutočne fundamentálnu teóriu. A vysokou pravdepodobnosotu existujú elementárne častice , ktoré Štandardný model nepopisuje, ako gravitón, častica ktorá by mala sprostredkovať prenos gravitácie.
=== Základné fermióny ===
{{Hlavný článok|Fermión}}
12 základných vôní fermiónov je rozdelených do troch generácií po 4 časticiach. Z celkového počtu je 6 kvarkov a zostávajúcich 6 sú leptóny, z ktorých 3 sú neutrína a ďaľšie nesú elektrický náboj v hodnote -1, a to elektrón a jeho príbuzní , muón a tau.
{|class="wikitable" width="100%" style="text-align:center"
|+ '''Generácie častíc'''
|-
|colspan="6"| '''[[Leptóny | Leptón]]'''
|-
|colspan="2"| ''Prvá generácia''
|colspan="2"| ''Druhá generácia''
|colspan="2"| ''Tretia generácia''
|-
|''Názov'' || ''Symbol'' || ''Názov'' || ''Symbol'' || ''Názov'' || ''Symbol''
|-
| [[elektrón]] || e<sup>-</sup> || [[mión]] || μ<sup>-</sup> || [[tau (particle)|tau]]|| τ<sup>-</sup>
|-
| [[elektrónové neutríno]] || v<sub>e</sub> || [[miónové neutríno]]|| v<sub>μ</sub> } ||[[tau neutríno]] || v<sub>τ</sub>
|-
|colspan="6"| '''[[Kvarky | Kvark ]]'''
|-
|colspan="2"| ''Prvá generácia''
|colspan="2"| ''Druhá generácia''
|colspan="2"| ''Tretia generácia''
|-
| [[horný kvark]] || u || [[pôvabný kvark]] || c || [[vrchný kvark]] || t
|-
| [[dolný kvark]] || d || [[podivný kvark]] || s || [[spodný kvark]]|| b
|-
|}
==== Antičastice ====
{{Hlavný článok|Antihmota}}
Existuje tiež 12 základných fermiónových antičastíc, pre každú základnú časticu jedna. Antičastice sú zrkadlovým obrazom častíc,majú rovnaké vlastnosti ako častice ale nesú opačný elektrický náboj. Napr. antielektrón (pozitrón) e+ je antičasticou elektrónu a nesie elektrický náboj +1.
{|class="wikitable" width="100%" style="text-align:center"
|+ '''Generácie častíc'''
|-
|colspan="6"| '''[[Antieptóny]]'''
|-
|colspan="2"| ''Prvá generácia''
|colspan="2"| ''Druhá generácia''
|colspan="2"| ''Tretia generácia''
|-
|''Názov'' || ''Symbol'' || ''Názov'' || ''Symbol'' || ''Názov'' || ''Symbol''
|-
| [[antielektrón | pozitrón ]] (pozitrón)|| e<sup>+</sup> || [[antimión]] || μ<sup>+</sup> ||[[antitau (particle)|antitau]] || τ<sup>+</sup>
|-
| [[elektrónové antineutríno]] || || [[miónové antineutríno]]|| ||[[tau antineutríno]] ||
|-
|colspan="6"| '''[[Antikvarky]]'''
|-
|colspan="2"| ''Prvá generácia''
|colspan="2"| ''Druhá generácia''
|colspan="2"| ''Tretia generácia''
|-
| [[horný antikvark]] || || [[pôvabný antikvark]] || c || [[vrchný antikvark]] ||
|-
| [[dolný antikvark]] || || [[podivný antikvark]] || || [[spodný antikvark]]||
|-
|}
==== Kvarky ====
{{Hlavný článok|Kvark}}
Jednotlivé kvarky nikdy neboli pozorované samostatne, čo vysvetľuje tzv. asymptotická voľnosť. Každý kvark nesie jeden z troch farebných nábojov silnej interakcie a antikvarky nesú zodpovedajúci farebný antináboj. Častice nesúce farebný náboj reagujú medzi sebou prostredníctvom výmeny gluónov rovnakým spôsobom ako medzi sebou reagujú častice nesúce elektrický náboj prostredníctvom fotónov. Napriek tomu, že samotné gluóny nesú farebný náboj, tak pri izolovaní jednotlivých častíc s farebným nábojom dochádza k zosilneniu silnej interakcie, narozdiel od elektromagnetickej sily, ktorá po izolovaní jednotlivých nabitých častíc zoslabne.
Aj napriek tomu môžu častice s farebným nábojom vzájomnými kombináciami vytvárať neutrálne zložené častice, hadróny. Kvarky tiež vytvárajú kmbinácie párov kvark - antikvark, pričom kvark nesie farebný náboj a antikvark zodpovedajúci antifarebný náboj, pričom vznikajú neutrálne častice tzv. mezóny. Prípadne vznikajú kombinácie troch kvarkov, z ktorých každý nesie rôzny farebný naboj (modrý, červený, zelený). Takéto kombinácie kvarkov vytvoria farebne neutrálny baryón a symetricky k tomu tri antikvarky s rôznými farebnými nábojmi (antičervený, antimodrý, antizelený) vytvárajú farebne neutrálne antibaryóny.
Kvarky tiež nesú čiastkové elektrické náboje, ale keďže sú viazané v rámci hadrónov, ktoré nesú celočíselný náboj, tak tieto čiastkové náboje nikdy neboli izolované. Jednotlivé kvarky nesú elektrický naboj v hodnote buď +2/3 alebo -1/3.Tomu zodpovedá náboj jednotlivých antikvarkov s hodnotami buď -2/3 alebo +1/3.
Dôkazom existencie kvarkov je nepružný hlboký rozptyl. Týmto experimentom sa zistuje distribúcia elektrického náboja v rámci nukleónov (baryónov) pomocou ostrelovania jadier atómov elektrónmi. Ak by bol náboj rozmiestnený rovnomerne, tak by elektrické pole v okolí protónov bolo tiež rovnomerné a rozptyl elektrónov by bol pružný. Týmto spôsobom sa rozptyľujú nízko energetické elektróny, ale po prekročení určitej energie protóny odchýlia niektoré z elektrónov pod veľmi veľkým uhlom. Takýto elektrón má omnoho menšiu energiu a vytvorí prúd častíc. A tento nepružný rozptyl naznačuje, že náboj v ramci protónu nie je rozmiestnení rovnomerne, ale je rozdelený medzi menšie nabité častice: kvarky.
=== Základné bozóny ===
{{Hlavný článok|Bozón}}
V rámci štandardného modelu vektorové bozóny s hodnotou spinu 1 ( gluóny, fotóny a W a Z bozóny) sprostredkujú prenos síl a Higgsov bozón so spinom 0 je spôsobuje, ýe častice nadobúdajú hmotnosť.
==== Gluóny ====
{{Hlavný článok|Gluón}}
Gluóny prenášajú silnú interakciu a nesú aj farebný náboj aj zodpovedajúci antifarebný náboj.
Gluóny majú nulovú hmotnosť. Nikdy nie sú detekované z dôvodu asymptotickej voľnosti, ale vytvoria prúd hadrónov podobne ako samostatné kvarky. Prvý dôkaz existencie gluónov sa zistil pri zrážkachi vysoko energetických elektrónov a pozitrónov a z ich vzájomnej anihilácie niekedy vzniknú tri prúdy častíc -kvark, antikvark a gluón.
==== Elektroslabé bozóny ====
Existujú tri bozóny sprostredkujúce slabú interakciu : ''W<sup>+</sup>'', ''W<sup>−</sup>'' a ''Z<sup>0</sup>''
Fotón s nulovou hmotnosťou sprostredkuje elektromagnetickú silu.
==== Higgsov bozón ====
{{Hlavný článok|Higgsov bozón}}
Aj keď slabá a elektromagnetická sila sa pri bežných energiách javia ako úplne rozličné sily, tak pri vysokých energiách sa zjednotia do jedinej elektroslabej sily. Tento predpoklad bol jednoznačne potvrdený meraniami prierezu vysoko energetického elektrónovo-protónového rozptylu v urýchľovači HERA. Rozdiely pri nízkych energiách sú dôsledkom vysokých hmotností W a Z bozónov, čo je zasa dôsledkom Higgsovho mechanizmu. Počas spontánneho rozpadu symetrie Higgsov mechanizmus schopný dávať hmotnosť kalibračným bozónom, pričom zostáva kompatibilný s kalibračnými teóriami . Aj keď je Higgsov mechanizmus akceptovanou súčasťou Štandardného modelu, samotný Higgsov bozón zatiaľ nebol pozorovaný. Nepriame dôkazy naznačovali jeho hmotnosť v rozmedzí 200-250GeV. Neskôr LHC opakovane zachytil signál okolo 125GeV, o ktorom sa predpokladá, že patrí Higgsvmu bozónu,<ref>[http://cms.web.cern.ch/news/cms-search-standard-model-higgs-boson-lhc-data-2010-and-2011 CMS search for the Standard Model Higgs Boson in LHC data from 2010 and 2011]</ref> , ale pre potvrdenie je potrebné získať ďaľšie dáta.
== Teórie mimo štandardného modelu ==
Aj keď experimentálne dôkazy potvrdzujú predpoklady Štandardného modelu, tak mnoho fyzikov tento model považuje za nedostatočný, pretože obsahuje množstvo neurčitých parametrov, možstvo základných častíc, nepozorovaný Higgsov bozón a iné viac teoretické úvahy ako hierarchický problém. Existuje viacero špekulatívnych teórií mimo štandardného modelu, ktoré sa pokúšajú odstrániť tieto nedostatky.
=== Veľké zjednotenie ===
Je rozšírením štandardného modelu, ktoré sa pokúša o zjednotenie elektroslabej a sily do jednej veľkej zjedntenej teórie (GUT). Takáto sila by sa spontánne rozpadala na tri sily spôsobom podobným Higgsovmu mechanizmu. Dôležitou predpokladom veľkého zjednotenia je predpovedaná existencia X a Y bozónov, spôsobujúcich rozpad protónov. A pretože počas Super-Kamiokande experimentu takýto protónový rozpad nebol pozorovaný, tak tento predpoklad vylučuje najjednoduchšie GUT, vrátane SU(5) a SO(10).
=== Supersymetria ===
Supersymetria roširuje štandardný model pridaním ďaľšej triedy symetrií k Langrangeanovej funkcii. Tieto symetrie zamieňajú fermiónové častice za bozónové. Táto symetria predpokladá existenciu supersymetrických častíc, tzv. sparticles , ktoré zahŕňajú sleptóny, skvarky, neutralína, čardžína. Všetky častice štandardného modelu by mali mať tzv. superpartnera - t.j. časticu, ktorej spin by sa pôvodcnej líšil o ½. Vďaka rozpadu supersymetrie su sčastice omnoho ťažšie ako ich bežný príbuzní, dokonca tak ťažké, že súčasné urýchľovače častíc nie sú dostatočne výkonné, aby sme ich zaznamenali. Napriek tomu niektorí fyzici veria, že sčastice spozorujú vo Veľkom hadrónov urýchľovači v CERNe.
=== Teória strún ===
Teória strún predstavuje fyzikálny model, v ktorom sa všetky častice tvoriace hmotu skladajú zo strún ( veľkosti cca Planckovej dĺžky), ktoré existujú v 11 rozmernom priestore (podľa M teórie). Tieto struny vibrujú rôznymi frekvenciami čo určuje hmotnosť, elektrický náboj, farebný náboj a spin. Struny môžu byť otvorené ( ako úsečka) alebo uzavreté v slučke (1rozmerná guľa - kruh). Teória strún predpokladá 1- až 10-membrány ( kde 1-membrána predstavuje strunu a 10-membrána je 10 rozmerný objekt), ktoré zabraňujú vzniku trhlín v priestore pomocu princíou neurčitosti.
Teória strún predpokladá, že náš vesmír je len 4 rozmernou membránou, v rámci ktorej existujú 3 priestorové dimenzie a 1 časová. Ostatných 6 rozmerov je buď veľmi malých (primalých na to, aby mali hocijaký vplyv v našom vesmíre) alebo prosto v našom vesmíre nemôžu existovať/neexistujú.( pretože existujú vo vyššom rozmere - mnohovesmír mimo nášho známeho vesmíru).
=== Technicolor ===
Technicolor teórie sa pokúšajú upraviť štandardný model len minimálne a to pridaním novej interakcie (sily) podobnej QCD. To znamená pridanie novej teórie tzv. Technikvarkov iteragujúcich prostredníctvom Technigluónov. Hlavnou myšlienkou teórie je, že Higgsov bozón nie je elementárna častica, ale viazaný stav týchto objektov.
== Pozri tiež ==
* [[Asymptotic freedom]]
* [[Asymptotic safety]]
* [[Bozón]]
* [[Fermión]]
* [[Zoznam elementárných častíc]]
== Poznámky ==
<div class="references-small">
<references />
<!-- Dead note "Seiden": {{cite book | author=Seiden, Abraham | title=Particle Physics - A Comprehensive Introduction | publisher=Addison Wesley | year=2005 | isbn=0805387366}} -->
<!-- Dead note "schumm": {{cite book | author=Schumm, Bruce, A. | title=Deep Down Things - the Breathtaking Beauty of Particle Physics | publisher=Johns Hopkins University Press | year=2004 | id=ISBN 081087971X}} -->
</div>
== Ďaľšie čítanie ==
===Všeobecné===
*[[Richard Feynman|Feynman, R.P.]] & [[Steven Weinberg|Weinberg, S.]] (1987) ''Elementary Particles and the Laws of Physics: The 1986 Dirac Memorial Lectures''. Cambridge Univ. Press.
*Ford, Kenneth W. (2005) ''The Quantum World''. Harvard Univ. Press.
*{{cite book | author=[[Brian Greene]] | title=[[The Elegant Universe]] | publisher=W.W.Norton & Company | year=1999 | isbn=0-393-05858-1}}
*[[John Gribbin]] (2000) ''Q is for Quantum - An Encyclopedia of Particle Physics''. Simon & Schuster. ISBN 0-684-85578-X.
*Oerter, Robert (2006) ''The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics''. Plume.
*Schumm, Bruce A. (2004) ''Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics''. John Hopkins Univ. Press. ISBN 0-8018-7971-X.
*{{cite book | author=[[Martinus Veltman]] | title=Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics | publisher=World Scientific | year=2003|isbn=981-238-149-X}}
*{{cite book | author=[[Frank Close]] | title=Particle Physics: A Very Short Introduction | publisher=Oxford University Press | location=Oxford | year=2004|isbn=0-19-280434-0}}
===Knihy===
* Bettini, Alessandro (2008) ''Introduction to Elementary Particle Physics''. Cambridge Univ. Press. ISBN 9780521880213
*Coughlan, G. D., J. E. Dodd, and B. M. Gripaios (2006) ''The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists'', 3rd ed. Cambridge Univ. Press. An undergraduate text for those not majoring in physics.
* Griffiths, David J. (1987) ''Introduction to Elementary Particles''. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-60386-4.
*{{cite book | author=Kane, Gordon L. | title=Modern Elementary Particle Physics | publisher=Perseus Books | year=1987 | isbn=0-201-11749-5}}
*Perkins, Donald H. (2000) ''Introduction to High Energy Physics'', 4th ed. Cambridge Univ. Press.
== Externé odkazy ==
The most important address about the current experimental and theoretical knowledge about elementary particle physics is the [[Particle Data Group]], where different international institutions collect all experimental data and give short reviews over the contemporary theoretical understanding.
* [http://pdg.lbl.gov/ Particle Data Group]
other pages are:
* [[Brian Greene|Greene, Brian]], "''[http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/part-flash.html Elementary particles]''", The Elegant Universe, [[Nova (series)|NOVA]] ([[Public Broadcasting Service|PBS]])
* [http://particleadventure.org particleadventure.org], a well-made introduction also for non physicists
* [http://www.cerncourier.com/main/article/41/2/17 CERNCourier: Season of Higgs and melodrama]
* [http://plato.phy.ohiou.edu/~hicks/thplus.htm Pentaquark information page]
* [http://www.interactions.org Interactions.org], particle physics news
* [http://www.symmetrymagazine.org Symmetry Magazine], a joint [[Fermilab]]/[[SLAC]] publication
* [http://www-personal.umich.edu/~janhande/sizedmatter/sizedmatter_images.htm "Sized Matter: perception of the extreme unseen"], Michigan University project for artistic visualisation of subatomic particles
* [http://www.thingsmadethinkable.com/item/elementary_particles.php Elementary Particles made thinkable], an interactive visualisation allowing physical properties to be compared
| |||