Fizika elementarnih čestica

Fizika elementarnih čestica je grana fizike koja se bavi proučavanjem elementarnih sastavnih dijelova tvari i zračenja. Često se koristi i naziv "visokoenergetska fizika", jer se eksperimenti ne odvijaju u normalnim okruženjima kakva se nalaze u prirodi, već prilikom visokoenergetskih sudara čestica, kakvi se postižu u akceleratorima.

Historija

Pretpostavka da se sva materija sastoji od elementarnih čestica se pojavila u 6. vijeku p. n. e, ako ne i prije. Filozofsku doktrinu pod nazivom "atomizam" zagovarali su starogrčki filozofi poput Leukipa, Demokrita i Epikura. Iako je već Isaac Newton u 17. vijeku vjerovao da je tvar sastavljena od sitnih osnovnih dijelova, tu je ideju tek 1802. formalno izrazio John Dalton.

Periodni sistem elemenata iz 1869, kojeg je izradio Dmitrij Ivanovič Mendeljejev, je pomogao opravdati tu ideju koja je prevladavala kroz 19. vijek. Joseph John Thomson je otkrio da se atom sastoji od lakših elektrona i težih protona, a Ernest Rutherford je bombardiranjem atoma zlata alfa česticama otkrio da su protoni skupljeni u središtu atoma. Pojava izotopa je bila objašnjena otkrićem da atomsku jezgru uz protone sastavljaju i neutroni.

Početkom 20. vijeka počinje se razvijati nuklearna i kvantna fizika, koje dosežu svoj vrhunac otkrićem nuklearne fuzije i fisije. Ta otkrića su omogućila ostvarenje davnog alhemijskog sna o pretvaranju olova u zlato (kamen mudraca), iako na neisplativ način. Također su omogućila i izradu nuklearnih oružja.

Tokom 1950-ih i [1960-ih otkriveno je veliko mnoštvo čestica, koje je dobilo ime "zoološki vrt čestica", a zbog ogromnog broja čestica počelo se sumnjati u elementarnost tih čestica. Taj naziv je bio odbačen nakon formulacije standardnog modela tokom 1970-ih, koji je obrazložio mnoštvo čestica kao kombinacije puno manjeg broja elementarnih čestica.

Čestice materije

Čestice materije sačinjavaju atome, molekule, živa bića, svijet oko nas. U njih spadaju kvarkovi i leptoni.

Kvarkovi

Kvarkovi neutrona

Kvarkovi su elementarne čestice koje sačinjavaju protone, neutrone i sve ostale složene čestice tj. hadrone, nukleone, mezone.

Kvarkovi su čestice koje imaju spin 1/2 kao i sve ostale čestice materije ali imaju električni naboj od 1/3c. Pored spina i naelektrisanja imaju i osobinu koja se zove boja i ona može imati 3 osnovne vrijednosti. Grade teže čestice tako što se povežu 3 kvarka - hadroni, nukleoni - u bezbojnu kombinaciju ili tako da se povežu 1 kvark i 1 antikvark iste boje čineći pri tome bezbojnu česticu. Kvarkovi su po fizičkim mjerilima izuzetno masivne čestice.

Kvarkova ima 6 vrsta:

1. u - up
2. c - charm
3. t - top
4. d - down
5. s - strange
6. b - bottom

Up i down kvark čine cijeli svemir jer su oni oblik kvarkova sa najmanjom masom i prema tome najmanjom energijom tj. najstabilniji su. Svi ostali kvarkovi su dobijeni u akceleratorima čestica pri vrlo velikim energijama na vrlo male dijelove vremena. Svi ostali kvarkovi su mnogo masivniji od Up i down i oni grade egzotične vrste teških čestica, koje se raspadaju na manje masivne poslije par milisekundi. Koliko se sada zna kvarkovi su čestice koje možda uopšte nemaju dimenzije, ali se kao gornja granica za njihov prečnik uzima granica od 10-17. Kvarkovi se nikad ne mogu naći izolovani već samo povezani u čestice koje su bezbojne jer što su dalje kvarkovi jedan od drugog, to je sila između njih jača, ali i ako čestici sačinjenoj od kvarkova predamo dovoljno energije za raskidanje veze između kvarkova, ta energija će se pretvoriti u još jednu bezbojnu česticu sačinjenu od kvarkova.

Leptoni

To su elementarne čestice koje ne prave druge složene čestice ali učestvuju u važnim fizičkim procesima. Imaju spin od 1/2, naelektrisanje od 1c i osetljivi su na slabu silu. Imaju masu koja je znatno manja od mase kvarkova, ali za razliku od njih mogu se naći slobodni.

Leptoni se javljaju u 6 vrsta:

1. Elektron
2. Muon
3. Tau
4. Elektonski neutrino
5. Muonski neutrino
6. Tau neutrino

Elektron i elektronski neutrino su leptoni sa najmanjom masom tako da su oni leptoni koji čine svemir. Svi ostali leptoni imaju znatno veću masu ali mogu da nastanu pri reakcijama u jezgrima zvijezda i u akceleratorima. Neutrini se javljaju u termonuklearnim reakcijama uz njihivog parnjaka. Za neutrine se donedavno mislilo da nemaju masu ali prije nekoliko godina je otkriveno da neutrini mogu da mijenjaju vrstu tj. da osciliraju, što je jasan pokazatelj da neutrini imaju masu koja je oko 1000 puta manja od mase elektrona. Neutrini imaju samo lijevoruki spin, što znači da im se osa rotacije uvijek pokazuje u lijevu stranu.

Čestice prijenosnici sila

Čestice prenosioci sile vrše sve interakcije između materije i poneke između samih sebe. To su čestice sa cjelobrojnim spinom od kojih neke imaju masu, a neke ne. Tae čestice su izvor polja sila tj. osnovnih fizičkih sila kao što su elektromagnetizam, jaka sila, slaba sila.

Prenosioci elektromagnetne sile je foton koji vrši interakcije između čestica sa naelektrisanjem. Foton ima masu, ima spin 2 i istovremeno je svoja antičestica.

Prenosioci slabe sile su W+,W-,z bozoni. Oni su čestice koje imaju vrlo veliku masu. Vrše interakciju između leptona i kvarkova tj. između svake čestice koja ima naelektrisanje. Imaju veliku ulogu u radioaktivnom raspadu atomskog jezgra.

Prenosioci jake sile su gluoni. To su čestice bez mase sa spinom 1 koje se javljaju u 8 vrsta od kojih svaka može biti u 3 boje tj. postoji 24 moguće vrste gluona. Oni prenose jaku silu između kvarkova i između sebe samih. Odlikuju se jednom čudnom osobinom zbog toga što su kvarkovi dalje jedan od drugog, jačina veze između njih raste. To je razlog zašto se kvarkovi ne mogu naći u izolovanom stanju, već samo u vidu kvark-gluonske plazme.

Također pogledajte

• Atomska fizika