Obsah Obsah

Úvod  Leptony

Částice a interakce | Standardní model

První elementární částice, elektronElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932., byla objevena v roce 1897 v katodovém záření Josephem Thomsonem. V polovině 20. století začalo množství objevených částic výrazně narůstat. Některé částice tvořily rodiny s podobným chováním a v 60. letech 20. století bylo jasné, že tyto příbuzenské rodiny (dnes jim říkáme multipletyMultiplet – skupina příbuzných kvantových stavů, například v elektronovém obalu molekuly. Jednotlivé stavy se liší projekcí celkového spinu a jejich počet (2s+1) se nazývá multiplicita. Jako multiplet se také označují skupiny příbuzných elementárních částic, které se liší projekcí izospinu.) nejsou skutečné elementární částice, ale jsou složené z menších celků. Mezi takové kompozitní částice patří i neutronNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10−27 kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní s poločasem rozpadu 886 s (15 minut). V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron.protonProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10−27 kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10−19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem.. Do 60. let 20. století sahají kořeny tzv. standardního modeluStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. elementárních částic, který v sobě obsahuje z dnešního pohledu všechny skutečně elementární částice. Částice standardního modelu lze rozdělit do dvou skupin. První skupina obsahuje částice tvořící látku, jakési pomyslné cihly, z nichž je vybudován vesmír. Mezi částice látky patří kvarkyKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. (z nich jsou složeny například neutrony a protony) a leptonyLeptony – skupina částic, mezi které patří elektron, těžký elektron (mion) a supertěžký elektron (tauon) a jejich neutrina (elektronové mionové a tauonové). Tyto částice nepodléhají silné interakci, ale jen slabé a elektromagnetické (pokud jsou nabité). (do této skupiny patří elektrony a neutrinaNeutrina – částice, které nemají elektrický náboj, neinteragují ani silně ani elektromagneticky, a proto látkou většinou procházejí. Spolu s elektrony patří do rodiny tzv. leptonů. Neutrina známe ve třech provedeních – elektronová, mionová a tauonová. Alespoň jedno z neutrin má nenulovou klidovou hmotnost, a proto dochází k tzv. oscilacím neutrin, samovolné přeměně mezi jednotlivými typy.). Do druhé skupiny patří nosiče sil, jde o jakési pojivo, pomyslnou maltu, která udržuje objekty ve vesmíru pohromadě a je zodpovědná za jejich vzájemné interakce. Standardní model obsahuje také Higgsovy částiceHiggsovy částice – částice, které se objevují ve sjednocené teorii elektromagnetické a slabé interakce (tzv. elektroslabé interakce) standardního modelu. Částice a jim odpovídající Higgsovo pole zde zajišťují nenulovou hmotnost polních částic slabé interakce a způsobují narušení symetrie elektroslabé interakce při energiích nižších než 100 GeV. Částice jsou pojmenovány podle skotského fyzika Petera Higgse. Tento mechanizmus nazýváme Higgsův mechanizmus a je aplikovatelný i na jiné částice. Existence Higgsovy částice byla s největší pravděpodobností potvrzena v červenci 2012 na dvou detektorech urychlovače LHC v CERNu., které jsou zodpovědné za rozštěpení elektroslabé interakce a za hmotnost některých částic. Tyto částice byly objeveny jako poslední, a to v roce 2012.

Standardní model

Standardní model. Nalevo jsou částice látky, napravo nosiče sil. Zdroj: Fermilab.

Standardní modelStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. elementárních částic řeší jen interakce popsané kvantovou teorií poleKvantová teorie pole – popis interakce založený na kvantových principech, tj. na nekomutativnosti základních operací v mikrosvětě. Kvantová teorie pole nahrazuje silové působení mezipůsobícími polními částicemi. Tyto částice jsou virtuální a nikdy nemohou skončit v detektoru. Jako první prototyp kvantové teorie pole se vyvinula ve 30. letech 20. století kvantová elektrodynamika., tedy elektromagnetickouElektromagnetická interakce – interakce působící na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné. Teorie elektromagnetické interakce se nazývá kvantová elektrodynamika (QED)., silnouSilná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10−15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD).slabouSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10–18 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W+, W a Z0 se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD).. Gravitační interakceGravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Podle této teorie kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Obecná relativita předpověděla řadu jevů, které z Newtonovy teorie gravitace nevyplývají. je popsána obecnou relativitouObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách., kterou se zatím propojit s kvantovým popisem nepodařilo. Ze dvou důvodů není standardní model finálním řešením. Prvním důvodem je, že standardní model neobsahuje gravitační interakci. Druhým důvodem je, že standardní model je založen na větším množství základních konstant. Ideální model by měl obsahovat jedinou konstantu, ze které by vyplynuly veškeré hmotnosti, náboje a další vlastnosti všech elementárních částic. K takovému ideálu ale ještě lidstvo čeká daleká cesta. Přesto je standardní model nejúspěšnějším modelem elementárních částic a interakcí a veškeré experimenty prováděné na největších urychlovačích světa jsou s tímto modelem v souladu. V této sekci jsou použity texty a některé materiály z článku „Elementární částice – standardní model“ projektu Brána do vesmíru.

Dělení částic dle rodové příslušnosti

Leptony

K leptonům patří elektron a jeho neutrino ve třech generačních provedeních a samozřejmě jejich antičástice. U leptonů nepozorujeme v rámci současných experimentálních možností (tj. do 10–18 m) žádnou vnitřní strukturu, jeví se jako skutečně elementární částice. Všechny leptony podléhají slabé interakci, elektrony navíc interakci elektromagnetické.

Kvarky

Částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (například proton, neutron). Veškeré částice složené z kvarků označujeme jako hadrony. Částicím složeným ze tří kvarků říkáme baryony, částicím složeným z kvarku a antikvarku mezony. Opět existují ve třech generacích, podléhají interakci silné, slabé i elektromagnetické.

Polní částice

Částice zprostředkující interakce. Nacházejí se mezi dvěma objekty mikrosvěta, proto jim také říkáme mezipůsobící, výměnné nebo intermediální částice. Pro elektromagnetickou interakci jde o foton, pro slabou interakci o částice W+, W, Z0, pro silnou interakci existuje 8 gluonů a pro gravitační interakci zatím hypotetický graviton (kvantová teorie gravitace dosud neexistuje).

Polní částice

Higgsovy částice

Částice, které v teoriích způsobují narušení symetrie elektroslabé interakce a nenulovou hmotnost polních bosonů W+, W a Z0 slabé interakce. Obdobný mechanizmus funguje i pro další částice. Higgsův boson byl nalezen v roce 2012 jako poslední částice standardního modelu v částicové laboratoři CERN.

Dělení částic dle statistického chování

Fermiony

  • Mají poločíselný spin. Z elementárních částic k nim patří všechny leptony (elektrony a neutrina) a kvarky, tedy veškeré částice látky. K fermionům také patří částice složené ze tří kvarků (tzv. baryony – například neutron, proton, Δ baryon, Λ hyperon a další).
  • Splňují Pauliho vylučovací princip: „Dvě částice nemohou být nikdy ve stejném kvantovém stavu“. Právě proto různé elektrony v atomovém obalu zaujímají různé kvantové stavy, a tím vytvářejí různorodé chování chemických prvků.
  • Vlnová funkce více fermionů je antisymetrická vzhledem k jejich záměně.
  • Podléhají Fermiho-Diracově statistice, kterou odvodili Enrico Fermi a Paul Dirac.
  • Kreační operátory fermionů splňují antikomutační relace.

Bosony

  • Mají celočíselný spin. Z elementárních částic k nim patří všechny polní částice, tj. foton, W+, W, Z0, gluony. Ze složených částic k nim patří částice složené tak, že výsledný spin je 0 (skalární částice) nebo 1 (vektorové částice). Nejčastěji jde o mezony složené z kvarku a antikvarku.
  • Nesplňují Pauliho vylučovací princip. Při nízkých teplotách má každý boson ze systému tendenci zaujmout nejnižší energetický stav. Vzniká tzv. bosonový kondenzát, který může mít supravodivé a supratekuté vlastnosti. Soustava elektronů by nikdy nemohla být supravodivá – jde o fermiony splňující Pauliho vylučovací princip. Při snižování teploty dojde nejprve k pospojování elektronů do dvojic – Cooperových párů, které jakožto bosony již mohou mít supravodivé vlastnosti.
  • Vlnová funkce více částic je symetrická vzhledem k jejich záměně.
  • Podléhají Boseho-Einsteinově statistice, kterou odvodili Satyendra BoseAlbert Einstein.
  • Kreační operátory bosonů splňují komutační relace.
Standardní model
 

Úvod  Leptony

Aldebaran Homepage