Oddziaływania fundamentalne i cząstki elementarne (fundamental interactions and elementary particles) (HRW rozdz. 45)
- Oddziaływania fundamentalne (fundamental interactions)
- Cząstki elementarne (elementary particles)
- Fermiony i bozony (fermions and bosons)
- Cząstki i antycząstki (particles and antiparticles)
- Linki
Detektor cząstek OPAL (omni-purpose apparatus) zainstalowany w europejskim laboratorium cząstek wielkich energii CERN (Genewa, Szwajcaria). OPAL został zaprojektowany do pomiaru energii cząstek wytwarzanych w zderzeniach elektronów i pozytonów o energiach 50 GeV. Mimo że detektor ma pokaźne rozmiary, jest mały w porównaniu z samym akceleratorem, który ma kształt pierścienia o obwodzie 27 km
Oddziaływania fundamentalne (fundamental interactions)
Według współczesnej fizyki istnieją tylko cztery podstawowe typy oddziaływań we wszechświecie. Z każdym z typów oddziaływań związane są pewne cząstki pośredniczące odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływania.
- Oddziaływanie grawitacyjne (gravitational interaction). Oddziaływanie grawitacyjne ma charakter przyciągający i dotyczy wszystkich cząstek. Źródłem oddziaływania grawitacyjnego jest masa (energia) cząstek. Oddziaływanie grawitacyjne odpowiedzialne jest za ciążenie ziemskie, ruchy planet, gwiazd i galaktyk. Oddziaływanie grawitacyjne słabnie z odległością, ale jego zasięg jest nieskończony. Postulowana, choć niezaobserwowana cząstka pośrednicząca oddziaływań grawitacyjnych nosi nazwę grawitonu.
- Oddziaływanie elektromagnetyczne (electromagnetic interaction). Elektromagnetycznie oddziałują cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym (lub momentem magnetycznym). Oddziaływanie elektromagnetyczne odpowiedzialne jest za przyciąganie bądź odpychanie się ładunków, magnesów. Siły elektromagnetyczne wiążą elektrony w atomach, jak również odpowiadają za wiązanie się atomów i cząsteczek ze sobą. Wszelkie oddziaływania, które obserwujemy w życiu codziennym (poza oddziaływaniem grawitacyjnym), takie jak: zderzenia ciał, tarcie ciał o siebie, sklejanie się ciał, siły sprężystości itp., są tak naprawdę spowodowane oddziaływaniem elektromagnetycznym atomów, z których zbudowane są te ciała (patrz tak zwane ,,siły mechaniczne''). Oddziaływanie elektromagnetyczne ma nieskończony zasięg. Cząstkami pośredniczącymi oddziaływań elektromagnetycznych są fotony. Teoria opisujące oddziaływania elektromagnetyczne nosi nazwę elektrodynamiki kwantowej (quantum electrodynamics QED).
- Oddziaływanie słabe (weak interaction). Oddziaływaniu słabemu podlegają wszystkie cząstki. Oddziaływanie słabe odpowiedzialne jest za rozpady
jąder atomowych, rozpady cząstek elementarnych i oddziaływania neutrin z materią. Cząstkami pośredniczącymi oddziaływań słabych są cząstki 
, 
i 
. W przeciwieństwie do fotonów cząstki pośredniczące oddziaływań słabych mają masy różne od zera. Masa cząstek , wynosi
, masa cząstek
wynosi
. Zasięg oddziaływań słabych jest rzędu
.
- Oddziaływanie silne (strong interaction). Silnie oddziałują cząstki złożone z kwarków, zwane hadronami (np. proton, neutron). Pozostałe cząstki materii zwane są leptonami i nie oddziałują silnie (np. elektron, neutrina). Oddziaływania silne pełnią podstawową rolę w budowie jąder atomowych i przebiegu zderzeń między nimi. Postulowanymi, choć nie wykrytymi cząstkami pośredniczącymi w oddziaływaniach silnych są gluony. Zasięg oddziaływań silnych jest rzędu
. Teoria opisująca oddziaływania silne nosi nazwę chromodynamiki kwantowej (quantum chromodynamics QCD).
Cząstki elementarne (elementary particles)
Elementarne cząstki materii (czyli wszystkie cząstki elementarne poza cząstkami pośredniczącymi oddziaływań) można podzielić na leptony (leptons) i kwarki (quarks). Leptony są cząstkami, które nie oddziałują silnie. Leptony można pogrupować w trzy rodziny: elektronową, mionową i taonową (TABELA 45.2). Mion i taon są cząstkami nietrwałymi. Każdy lepton ma również swoją antycząstkę. Wszystkie leptony mają spin
, co oznacza że są fermionami (fermions).
Kwarki są cząstkami elementarnymi które oddziałują silnie. Istnieje sześć kwarków o różnych ,,zapachach'' (TABELA 45.5) i każdy z kwarków posiada również swoją antycząstkę. Wszystkie kwarki mają spin , co oznacza, że są fermionami. Cząstki zbudowane z kwarków nazywamy hadronami. Trzy kwarki tworzą cząstki zwane barionami (np. proton, neutron), dwa kwarki tworzą cząstki zwane mezonami.
Obecnie uważamy, że cała materia jest zbudowana z leptonów i kwarków.
Fermiony i bozony (fermions and bosons)
Cząstki możemy podzielić również ze względu na wartość własnego momentu pędu, zwanego spinem. Cząstki o spinie całkowitym nazywamy bozonami, natomiast cząstki o spinie połówkowym nazywamy fermionami. Pośród cząstek elementarnych wszystkie cząstki materii (leptony i kwarki) są fermionami. Bozonami natomiast są cząstki pośredniczące w oddziaływaniach (np. fotony, gluony). Cząstki złożone z wielu cząstek elementarnych mogą być albo fermionami, albo bozonami w zależności od liczby składających się na nie fermionów. Całkowity spin cząstek złożonych z nieparzystej liczby fermionów jest połówkowy, a w związku z tym są one również fermionami (np. proton złożony z trzech kwarków), natomiast całkowity spin cząstek złożonych z parzystej liczby fermionów jest liczbą całkowitą, a w związku z tym cząstki te są bozonami.
Fermiony podlegają zakazowi Pauliego, który mówi, że w danym stanie kwantowym może znajdować się tylko jedna cząstka. Bozony nie podlegają zakazowi Pauliego, czyli w każdym stanie kwantowym może znaleźć się dowolna ich liczba.
Cząstki i antycząstki (particles and antiparticles)
Każda z cząstek elementarnych ma również swoją antycząstkę. Odpowiadające sobie cząstki i antycząstki mają tę samą masę, spin, lecz przeciwny ładunek. Podobnie, cząstki złożone mają odpowiadając im antycząstki, na przykład antycząstką wodoru złożonego z protonu i elektronu jest antywodór złożony z pozytonu (antyelektronu) i antyprotonu. Gdy cząstka zderza się ze swoją antycząstką następuje proces zwany anihilacją, w wyniku którego zderzające się cząstki giną, a z uwolnionej energii powstają fotony i inne cząstki.
Linki
Przygoda z cząstkami - interaktywna podróż po świecie kwarków, neutrin, antymaterii, dodatkowych wymiarów, ciemnej materii, akceleratorów i detektorów cząstek.
Cegły i Cement Natury - krótki przegląd podstawowych cząstek i oddziaływań we wszechświecie.
CERN - polska strona europejskiej organizacji badań jądrowych CERN.
Boska cząstka - wspaniała książka popularnonaukowa o cząstkach elementarnych i osiągnięciach fizyki współczesnej.
Particle Physics - zabawna interaktywna prezentacja ośrodka CERN, zagadnień związanych z cząstkami elementarnymi i historii ich poznawania.
The Discovery of the Electron - historia odkrycia elektronu.
Structure of Matter - edukacyjna strona komitetu noblowskiego na temat budowy materii.
