Rieth József: Anyagvilág - Háttérismeret

Részecskefizika

Tartalomjegyzékhez < Világképem <    (Kvark-időszak, Hadron-időszak)     

A részecskefizika a fizika egyik ága, amely az anyag elemi összetevőit, sugárzást és azok kölcsönhatásait vizsgálja. Nagyenergiájú fizikának is hívják, mivel sok elemi részecske nem fordul elő normális körülmények között a természetben, hanem más részecskék nagy energiájú ütközései során kell őket kelteni, ahogy az a részecskegyorsítókban történik.

Az anyag legkisebb összetevői Bővebben: Elemi részecske

Az atommagot alkotó proton és a neutron nem elemi részecskék, hanem még kisebb részecskékből állnak. Ezek a kvarkok. Ezen kívül elemi részecskék még a leptonok, amelyek közé az elektron és a neutrínók is tartoznak. Az összes anyag kvarkokból és leptonokból áll, közöttük négyféle kölcsönhatás léphet fel, melyeket szintén részecskék közvetítenek.

Az elemi részecskék családjai Bővebben: Részecskecsaládok

Proton és neutron kvarkszerkezete 

A körülöttünk álló világot döntő részben az u és a d kvark, valamint az elektron (e-) építi fel. A proton például két u és egy d kvarkból áll, a neutron két d és egy u kvarkból. Az atommag-átalakulások egy részénél szerepe van még az elektronneutrínónak (ν_e) is, egy nagyon kismértékben kölcsönható anyagnak is. Ezek alkotják az elemi részecskék első családját.

Összesen három ilyen család létezik, de a másik két részecskecsaládhoz tartozó kvarkok létrejöttéhez nagyobb energiára van szükség. A világegyetem Ősrobbanás utáni korai forró időszakában sok második és harmadik családbeli kvark volt, de a világegyetem tágulásával és hűlésével egyre kisebb energia jutott egy részecskére, így azok elbomlottak kisebb tömegű részecskékre. Ezen korai fázisban a kvarkok és gluonok forró plazmát alkottak, majd a tágulás és lehűlés közben fázisátalakulás révén kialakultak a hadronok, azaz a kvarkokat az erős kölcsönhatás „börtönbe zárta”. Jelenleg nagy gyorsítókkal vizsgálják az elmélet helyességét, a kvark-gluon plazma nagyenergiájú részecskegyorsítókban való kialakulásának körülményeit és tulajdonságait.

Kölcsönhatások Bővebben: Alapvető kölcsönhatások

A részecskék között négyféle kölcsönhatást ismerünk. Ezek egyre csökkenő erősséggel:

erős kölcsönhatás: a kvarkok között hat, a hadronokat és az atommagokat tartja össze.

elektromágneses kölcsönhatás: az elektromos töltéssel rendelkező részecskék között hat,

gyenge kölcsönhatás: az atommagok radioaktivitása ennek következménye,

gravitáció: minden, energiával rendelkező fizikai tér között hat.

Antirészecskék Bővebben: Antirészecske

Minden részecskének (az összes leptonnak, kvarknak és a kvarkokból felépülő részecskéknek) van olyan párja, amelynek az összes töltésjellegű kvantumszáma (például elektromos töltése, barionszáma és leptonszáma) ellentétes, de a tömege azonos a részecskéével. Ezeket hívjuk antirészecskéknek. Az elektron anti-párja a pozitron. Vannak olyan részecskék is, amiknek sajátmaguk az antirészecskéi (például foton, Z-bozon, semleges mezonok egy része), ezeket valódi semleges részecskéknek hívjuk.

A kvarkok és kötött állapotaik Bővebben: Erős kölcsönhatás

A kvarkokat csak kötött állapotaikban, a hadronok belsejében, közvetve figyelhetjük meg. Kétféle hadron létezik:

három kvark alkotja a legegyszerűbb barionokat (három antikvark az antibarionokat),

egy kvark és egy antikvark alkotja a legegyszerűbb mezonokat.

Barion például a proton és a neutron, mezon például a pion.

A bozonok és a fermionok Bővebben: Spin

A részecskéket spinjük (saját impulzusmomentumuk) alapján két lényegesen különböző tulajdonságú csoportba sorolhatjuk.

Az egyik csoport az egész spinű bozonoké (például mezonok, kölcsönhatást közvetítő részecskék).

A másik csoport a félegész spinű fermionoké (például kvarkok, leptonok, barionok).

Mivel a barionszám és a leptonszám megmaradó mennyiség, ezért csak antirészecskéjükkel együtt keletkezhetnek. Fermionokra érvényes a Pauli-elv.

A részecskefizika standard modellje Bővebben: Standard modell

Az elemi részecskék fizikájának jelenlegi legjobb leírását a részecskefizika standard modellje nyújtja. Ezek szerint az alapvető kölcsönhatásokat (erős, elektromágneses és gyenge; a gravitáció nincs a modellben) bozonok közvetítik, az úgynevezett „mértékbozonok”: foton, W-, W+, Z bozonok és a 8-féle gluon. Ezen kívül 12 alapvető ún. anyagi részecske (az antirészecskék és a kvarkok színeinek figyelembevétele nélkül), építi fel az anyagot. Végül az elmélet jósol egy még fel nem fedezett részecskét, a Higgs-bozont, ami tömeget ad a modell többi részecskéjének.

A kölcsönhatások elmélete bizonyos lokális szimmetriatulajdonságokból vezethető le: az ilyen elméleteket mértékelméleteknek nevezzük.

Az elmélet korlátainak kiküszöbölésére alkották meg többek között az alábbi elméleteket:

a szuperszimmetriát (SUSY), mellyel többek között lehetővé válik a három kölcsönhatás egyesítése.

a húrelméletet, mely az egyik kísérlet arra, hogy a gravitációt is belefoglalhassuk az elméletbe.

A tér kiterjesztése új dimenziókkal

A kísérleti adatokkal való egyezés keresése sok új ötlettel ajándékozta meg a részecskefizikát. Az egyik ilyen gyümölcsöző irány az általunk tapasztalatból ismert háromdimenziós tér egységes keretben való tárgyalása a tőle függetlennek látszó idővel, illetve új – nem szokványos, hanem kompakt – térdimenziók hozzáadása a fizikai leíráshoz. Az ilyen kiterjesztések általában új típusú részecskék megjelenésével járnak az elméleti jóslatokban.

Relativitáselmélet Bővebben: Speciális relativitáselmélet

A speciális relativitáselmélet a Lorentz-transzformációval kapcsolatot teremtett a „hétköznapi” euklideszi hármastér és az idő között, egyben kimondva, hogy a transzformáció szimmetriája a természetnek. A felépített új ún. négyestér (vagy téridő) matematikai leírására a keretet a Minkowski-tér biztosítja. Az idődimenzió nem lett teljesen ekvivalens a térdimenziókkal, például az idő továbbra sem tud visszafelé folyni, és a kauzalitás, a dolgok egymásutánisága sem sérülhet.

Az elméletet a kvantumechanikában érvényesítve megjósolta az antirészecskék létezését, amelyek későbbi felfedezése az elmélet nagyszerű bizonyítéka.

Szuperszimmetria Bővebben: Szuperszimmetria

A szuperszimmetria elmélete a négyes téridőt szupertérré bővíti, ami ötödik és további dimenziókként nem a négyesteret leíró valós számot, hanem Grassmann-számokat ad hozzá a leíráshoz. A szuperszimmetria az így kiterjesztett téren lehetséges transzfromációkkal szembeni szimmetriát jelenti. Jóslata szerint minden általunk ismert részecskének létezik egy – nyilván kis tömegű, mivel eddig még nem fedeztük fel őket – ún. szuperpartnere. A fermionok szuperpartnere bozon és megfordítva. A szuperszimmetrikus modellek a standard modell sok problémáját képesek megoldani, a részecskefizika egyik mai legfontosabb feladata a szuperszimmetria igazolása avagy kizárása.

Kísérleti részecskefizika

A kísérleti részecskefizika legfontosabb eszközei a gyorsítók és a detektorok. A részecskegyorsítókban a töltött részecskéknek feszültség hatására nagy mozgási energiára tesznek szert. A detektorokban az ütközések során, a világűrben stb. keletkező részecskék tulajdonságait (helyét, energiáját, lendületét, sebességét) mérik.

Tartalomjegyzékhez < Világképem <  Kvark-időszak     

------------------------

http://hu.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9szecskefizika