Elementære partikler

Elementære partikler av standardmodellen

! Quarks	! Bytt partikler
! Leptoner	! Higgs boson

Elementære partikler er udelelige subatomære partikler og de minste kjente byggesteinene av materie . Fra synspunktet til teoretisk fysikk er de de laveste nivåene av eksitasjon i visse felt . Ifølge dagens kunnskap, som er sikret ved eksperimenter og oppsummert i standardmodellen for elementær partikkelfysikk , er det

• seks typer kvarker hver med tre forskjellige fargeladninger ,
• seks typer leptoner , nemlig tre ladede leptoner og tre nøytrinoer ,
• tolv typer målebosoner , nemlig
  • en foton for den elektromagnetiske interaksjonen
  • åtte lim for den sterke interaksjonen ,
  • tre bosoner ( Z ⁰ , W ⁺ , W ^- ) for den svake interaksjonen
• og Higgs boson .

Dette resulterer i 37 elementære partikler i begynnelsen. Det er også antipartikler : atten anti-kvarker og seks antileptoner. Antipartiklene til de åtte gluonene er allerede inkludert. Den partikler foton , Z ⁰ og Higgs boson hver sin egen anti og W ⁺ / W ^- er deres gjensidige antipartikler. I denne tellingen er det derfor totalt 61 typer elementære partikler.

Materien og kraft- og strålingsfeltene til sterke, svake og elektromagnetiske samspill består av disse partiklene i forskjellige sammensetninger og tilstander. Når det gjelder gravitasjonsfeltet og gravitasjonsbølgene , har de underliggende partiklene - gravitonene  (G) - hittil vært hypotetiske ; i tilfelle mørk materie er de fremdeles helt ukjente.

De nevnte partiklene er små i den forstand at

• at man ennå ikke har vært i stand til å få noen ledetråder for en annen diameter enn null fra eksperimenter. Teoretisk antas de derfor å være punktlignende.
• at de i henhold til den nåværende kunnskapen ikke er sammensatt av enda mindre underenheter.
• at til og med et lite objekt i hverdagen allerede inneholder billioner (10 ²¹ ) av disse partiklene. For eksempel består hodet på en tapp allerede av 10 ²² elektroner og 10 ²³ kvarker.

Avklaring av begrepet

Ytterligere elementære partikler forutsies av teorier som går utover standardmodellen. Imidlertid blir disse referert til som hypotetiske fordi de ennå ikke er bevist ved eksperimenter.

Inntil oppdagelsen av kvarkene ble alle typer hadroner også ansett for å være elementære partikler, f.eks . B. kjernebyggesteinene proton , nøytron , pion og mange flere. På grunn av det store antallet forskjellige arter snakket man om "partikkelzoo". Selv i dag blir hadronene ofte referert til som elementære partikler, selv om de i henhold til standardmodellen alle er sammensatt av kvarker. B. har også en målbar diameter i størrelsesorden ^10-15  m. For å unngå forvirring blir de elementære partiklene som er oppført ovenfor i henhold til standardmodellen noen ganger referert til som grunnleggende elementære partikler eller grunnleggende partikler .

Historie og oversikt

saken

Inntil godt inn i det 20. århundre bestred både filosofer og forskere om materie var et kontinuum som kunne deles inn uendelig, eller om det var laget av elementære partikler som ikke kunne brytes ned i mindre biter. Slike partikler ble kalt “atom” fra eldgamle tider (fra gresk ἄτομος átomos , “det udelelige”), navnet elementær partikkel (eller engelsk elementær partikkel ) dukket ikke opp før 1930-tallet. De tidligste kjente filosofiske betraktningene om atomer kommer fra det gamle Hellas ( Democritus , Platon ). Basert på vitenskapelig kunnskap ble dette begrepet først fylt med dagens innhold rundt 1800, da, etter John Daltons arbeid, begynte innsikten å få aksept i kjemi at hvert kjemisk element består av partikler som er identiske med hverandre. De ble kalt atomer; dette navnet har holdt seg. De forskjellige manifestasjonene av de kjente stoffene og deres transformasjonsmuligheter kan forklares med det faktum at atomer kombineres i henhold til enkle regler på forskjellige måter for å danne molekyler . Atomene i seg selv ble ansett som uforanderlige, spesielt uforgjengelige. Fra 1860 førte dette bildet til en mekanisk forklaring av gasslovene i kinetisk gassteori gjennom den uordnede varmebevegelsen til mange usynlige små partikler. Dette kan inkludere den faktiske størrelsen på molekylene kan bestemmes: de er mange størrelsesordener for små til å være synlige i mikroskopet.

Likevel, i det 19. århundre dette bildet ble referert til som en ren “atomhypotesen ” og kritisert av prinsipielle grunner (se artikkel Atom ). Den fant bare generell godkjenning i sammenheng med moderne fysikk på begynnelsen av 1900-tallet . Albert Einstein oppnådde et gjennombrudd i 1905. Han avledet teoretisk at de usynlige små atomene eller molekylene, på grunn av deres termiske bevegelse, kolliderer uregelmessig med større partikler som allerede er synlige under mikroskopet, slik at også disse er i konstant bevegelse. Han var i stand til å forutsi kvantitativt bevegelsestypen til disse større partiklene, som ble bekreftet fra 1907 av Jean-Baptiste Perrin gjennom mikroskopiske observasjoner av Brownian-bevegelse og sedimenteringsvekt . Dette regnes som det første fysiske beviset på at molekylene og atomer eksisterer.

Samtidig viste observasjonene av radioaktivitet imidlertid at atomene, slik de var definert i kjemi, ikke kan betraktes i fysikken som uforanderlige eller udelbare. Snarere kan atomene deles inn i et atomskall av elektroner og en atomkjerne , som igjen er sammensatt av protoner og nøytroner . Elektron, proton og nøytron ble da betraktet som elementære partikler, snart sammen med mange andre typer partikler som ble oppdaget i kosmiske stråler fra 1930-tallet ( f.eks. Muon , pion , kaon samt positron og andre typer antipartikler ) og fra 1950 i eksperimenter. ved partikkelakseleratorer.

På grunn av sitt store antall og forvirrende egenskaper og forhold til hverandre, ble alle disse typer partikler gruppert under navnet "partikkelzoo", og det var stor tvil om de alle virkelig kunne være elementære i betydningen av ikke å være sammensatt . Den første egenskapen for en klassifisering var skillet mellom hadroner og leptoner på 1950-tallet . Hadronene som protoner og nøytroner reagerer på den sterke interaksjonen , leptonene liker elektronet bare til den elektromagnetiske og / eller svake interaksjonen . Mens leptonene fremdeles betraktes som elementære i dag, kunne "mindre" partikler, kvarkene , identifiseres i hadronene fra 1970-tallet . De seks typene kvarker er de virkelig elementære partiklene i henhold til standardmodellen , hvorfra, sammen med gluoner, de mange hadronene i partikkelzooen er bygget.

Enger

Fysiske felt som gravitasjonsfeltet, magnetfeltet og det elektriske feltet ble og blir sett på som et kontinuum. Det vil si at de har en viss feltstyrke på hvert punkt i rommet, som kan variere romlig og temporalt på en kontinuerlig måte (dvs. uten hopp). Oppdagelsen av at elementære partikler også spiller en rolle i det elektromagnetiske feltet ble utarbeidet av Max Planck i 1900 og utarbeidet av Albert Einstein i 1905 i form av lyskvantumhypotesen . I følge dette kan frie elektromagnetiske felt som forplanter seg som bølger bare eksiteres eller svekkes i hopp på størrelse med et elementært kvante. At disse elektromagnetiske kvantene har alle egenskapene til en elementær partikkel ble anerkjent fra 1923 som et resultat av eksperimentene til Arthur Compton . Han viste at et enkelt elektron oppfører seg i et elektromagnetisk strålingsfelt akkurat som om det ville kollidere med en enkelt partikkel der. I 1926 fikk dette elektromagnetiske kvanten navnet foton .

Til 1930 på basis av kvantemekanikk , de Kvanteelektrodynamikk utviklet som beskriver fremveksten av en foton emisjon i prosessen og dets ødeleggelse i absorpsjonsprosessen. I sammenheng med denne teorien kommer det frem at de kjente statiske elektriske og magnetiske feltene også skyldes effekten av fotoner, som imidlertid genereres og ødelegges som såkalte virtuelle partikler . Fotonen er feltkvantumet til det elektromagnetiske feltet og den første kjente utvekslingspartikkelen som får en av de grunnleggende kreftene i fysikken til å oppstå.

Dette resulterte i to ytterligere utviklingstrekk: Dannelse og ødeleggelse av partikler som elektroner og nøytrinoer observert i beta-radioaktivitet ble tolket som eksitasjon eller svekkelse av et "elektronfelt" eller et "nøytrinofelt", slik at disse partiklene nå også blir sett på som feltkvanta for deres respektive felt (se kvantefeltsteori ). På den annen side ble det søkt etter og funnet andre utvekslingspartikler for andre grunnleggende krefter: gluon for den sterke interaksjonen (bevist 1979), W boson og Z boson for den svake interaksjonen (bevist 1983). For tyngdekraften, den fjerde og den klart svakeste av de grunnleggende interaksjonene , er det fortsatt ingen anerkjent kvantefeltsteori. Selv om alle partikler er underlagt tyngdekraften, anses effektene som teoretisk er å forvente fra reaksjoner av de grunnleggende partiklene som ikke observerbare. Gravitasjon er derfor ikke behandlet i standardmodellen, spesielt siden et tilknyttet feltkvantum, graviton , hittil har vært rent hypotetisk.

Den Higgs boson er innen quantum av en annen ny felt som ble satt inn i kvantefeltteori av enhetlig elektromagnetiske og svake interaksjon ( elektrosvak vekselvirkning ) for å være i stand til å formulere teoretisk konsekvent det faktum at det finnes partikler med masse. En ny type partikkel som tilsvarer disse forventningene ble funnet i 2012 i eksperimenter på Large Hadron Collider nær Genève.

Liste over elementære partikler

Inndeling i fermioner og bosoner

Først og fremst skilles det mellom de to klassene fermioner og bosoner for elementære partikler (så vel som for sammensatte partikler) . Fermions har et halvt helt spinn og følger en lov om bevaring av partikkelnummer, slik at de bare kan oppstå eller gå til grunne sammen med sine antipartikler. Bosons har et helt spinn og kan opprettes og utslettes hver for seg. Med sikte på å bevaring av materie i dagliglivet og i klassiske fysikk blir fermioner mellom elementærpartiklene derfor ofte som de minste partikler av materie og er også referert til som stoffpartikler . Bosonene blant de elementære partiklene er derimot assosiert med felt fordi en feltstyrke kan variere kontinuerlig i klassisk fysikk. Bosoner blir derfor ofte referert til som kvanta av kraft eller strålingsfelt, eller kort som feltkvanta. Imidlertid er fermionene i kvantefeltteori også feltkvanta av deres respektive felt. Av de elementære partiklene i standardmodellen tilhører leptonene og kvarkene fermionene og utvekslingspartiklene, så vel som Higgs-bosonet (og - hvis det eksisterer - gravitonet) tilhører bosonene.

Leptoner

Leptoner er de grunnleggende partiklene av materie med spinn som ikke er utsatt for den sterke interaksjonen. De er fermioner og deltar i det svake samspillet og, hvis det er elektrisk ladet, i det elektromagnetiske. ${\ displaystyle {\ tfrac {1} {2}}}$

Det er tre elektrisk ladede leptoner (ladning = −1e): elektronet (e), muonet (μ) og tauonet (eller τ leptonet) (τ) og tre elektrisk nøytrale leptoner: elektronneutrinoen (ν _e ), muon-nøytrino (ν _μ ) og tauon-nøytrino (ν _τ ). Leptonene er ordnet i tre generasjoner eller familier : (ν _e , e), (ν _μ , μ) og (ν _τ , τ). Hver familie har sitt eget antall leptoner, som alltid er bevart bortsett fra nøytrino-svingninger .

For hver av disse typene leptoner er det en tilsvarende type antipartikkel , som vanligvis identifiseres av den forrige stavelsen anti- . Bare elektronens antipartikkel, som var den første antipartikkelen som ble oppdaget, kalles positron . Det forekommer aldri i observasjoner at når et antilepton genereres, blir det heller ikke generert et lepton eller et annet antilepton blir ødelagt. Den beskriver denne situasjonen som bevaring av antall leptoner (også kalt Leptonenladung ) brukes for hvert lepton, og for hvert antilepton forblir den totale verdien konstant. Bevarelsen av antall leptoner gjelder alle prosesser for opprettelse og utslettelse av leptoner og antileptoner. Teorier utover standardmodellen har spekulert i mulige brudd på denne loven, men de er ennå ikke blitt observert og er derfor hypotetiske. ${\ displaystyle L}$${\ displaystyle L = + 1}$${\ displaystyle L = -1}$${\ displaystyle L}$

De eneste stabile leptonene er elektron og positron. Muoner og tauoner forfaller spontant ved å transformere seg til et lettere lepton med samme elektriske ladning, en nøytrino og en antineutrino, via den svake interaksjonen. Alternativt kan tauoner forfalle til en nøytrino og hadron.

Quarks

Kvarker er de elementære partiklene av materie med spinn , som i tillegg til den svake og elektromagnetiske interaksjonen også er utsatt for den sterke interaksjonen. De er fermioner, og i tillegg til svak isospin (avhengig av chiralitet ) og elektrisk ladning, bærer de også en fargeladning . ${\ displaystyle {\ tfrac {1} {2}}}$

Det er tre typer kvarker med elektrisk ladning e: ned (d), merkelig (e) og bunn (b), og tre typer kvarker med elektrisk ladning e: opp (u), sjarm (c) og topp ( t). Dermed kjenner man også tre generasjoner eller familier for kvarker : (d, u), (s, c) og (b, t). Som med leptonene, er familiene veldig forskjellige i massene sine. Konvertering av kvark skjer på grunn av det svake samspillet, helst i en familie (f.eks. C ⇒ s). Disse konverteringene er beskrevet av Quark Mixture Matrix. ${\ displaystyle - {\ tfrac {1} {3}}}$${\ displaystyle + {\ tfrac {2} {3}}}$

Når du oppretter eller ødelegger kvarker eller antikvarker, gjelder samme strenghet for bevaring av baryonnummeret (også kalt baryonladning ) som for leptonene (se ovenfor ): hvis man setter for hver kvark og for hver antikvark , er den totale verdien av baryonnummer forblir med alle kjente fysiske prosesser konstant. Valget av verdi forklares med det faktum at kjernebyggesteinene protoner og nøytroner hver ble tildelt baryon nummer 1 lenge før det ble oppdaget at de var sammensatt av tre kvarker. Også her spekulerer teorier utover standardmodellen om mulige brudd på bevaring av baryon-nummeret, men de er ennå ikke observert og er derfor hypotetiske. ${\ displaystyle B}$${\ displaystyle B = {\ tfrac {1} {3}}}$${\ displaystyle B = - {\ tfrac {1} {3}}}$${\ displaystyle B}$${\ displaystyle {\ tfrac {1} {3}}}$

Kvarker blir aldri observert fritt, men bare som bundne komponenter i hadronene (se avsnittet "Sammensatte partikler" nedenfor).

Bytt partikler (målebosoner)

Partikkel	Resten energi (GeV)	Spinn ( ) ${\ displaystyle \ hbar}$	Elektrisk ladning ( ) ${\ displaystyle e}$	formidlet interaksjon
foton	0	1	0	elektromagnetisk kraft
Z 0 boson	ca. 91	1	0	svak kraft
W + boson	omtrent 80	1	+1
W - boson			−1
Limer	0	1	0	sterk kraft (fargekraft)
( Graviton )	0	2	0	Tyngdekraft

Utvekslingspartiklene er bosonene som formidler samspillet mellom de nevnte elementære partiklene av fermion- typen . Navnet gauge boson er forklart med det faktum at standardmodellen er formulert som gauge theory , der kravet til lokal gauge invarians betyr at det forutsies interaksjoner med utvekslingspartikler som har spinn 1, dvs. er bosoner .

Gravitonen er ennå ikke bevist i eksperimenter og er derfor hypotetisk. Imidlertid er det ofte oppført i forbindelse med de andre utvekslingspartiklene, noe som gjenspeiler håpet om at fremtidige partikkelfysikkmodeller gravitasjonsinteraksjonen også kan behandles i forhold til kvantefeltsteori. Gravitongenskapene gitt i tabellen til høyre tilsvarer det som kan forventes i henhold til den generelle relativitetsteorien .

foton

Som feltkvantum for det elektromagnetiske feltet er fotonet det lengste kjente målebosonet. Det kan opprettes eller ødelegges av en hvilken som helst partikkel med elektrisk ladning og formidler hele den elektromagnetiske interaksjonen . Den har verken masse eller elektrisk ladning. På grunn av disse egenskapene har den elektromagnetiske interaksjonen et uendelig område og kan ha en makroskopisk effekt.

W- og Z-bosoner

Det er to W-bosoner med motsatte elektriske ladninger og den nøytrale Z-bosonen. De kan genereres og ødelegges av en hvilken som helst partikkel med svak isospin eller svak hyperladning , og de formidler den svake interaksjonen . De er således ansvarlige for alle transformasjonsprosessene der en kvark endres til en annen type kvark, eller et lepton til en annen type lepton. De har en stor masse, som  begrenser rekkevidden som utvekslingspartikler til størrelsesorden 10 ⁻¹⁸ m. Denne ekstremt korte rekkevidden er grunnen til at den svake interaksjonen virker svak. I motsetning til fotonet bærer W-bosonene også svake isospiner selv . Dermed kan de også samhandle med hverandre via den svake interaksjonen.

Glue

Lim kan genereres og ødelegges av de fargede partiklene og formidle den sterke interaksjonen mellom dem . I tillegg til kvarkene har gluonene også en fargelading, hver i kombinasjon med en anti-fargelading. De mulige blandingene fyller et åttedimensjonalt tilstandsrom, og derfor snakker man vanligvis om åtte forskjellige gluoner. To av de åtte dimensjonene tilhører tilstander der limet bærer den antifarveladningen nøyaktig som samsvarer med fargeladningen; disse limene er deres egne antipartikler. Gluonene har ingen masse og verken elektrisk ladning eller svak isospin. Som bærere av fargede ladninger samhandler de også med hverandre. Denne egenskapen er årsaken til inneslutningen , som effektivt  begrenser rekkevidden til den sterke interaksjonen til ca. 10 ⁻¹⁵ m. Dette er omtrent diameteren på hadronene som består av kvarker (som protoner og nøytroner) og også rekkevidden til kjernekraften som holder protonene og nøytronene sammen i atomkjernen.

Higgs boson

Higgs-bosonen er en elementær partikkel som er forutsagt av standardmodellen som ble oppdaget på det europeiske atomforskningssenteret CERN . Det kan opprettes og ødelegges av alle partikler med masse og er feltkvantum av det allestedsnærværende Higgs-feltet , som i utgangspunktet gir disse partiklene deres masse. Higgs boson har spinn 0 og er ikke en gauge boson.

Partikler sammensatt av elementære partikler

Partikler sammensatt av kvarker (og gluoner) kalles hadroner . Frem til oppdagelsen av kvarkene og utviklingen av standardmodellen fra rundt 1970 ble de ansett som elementære partikler og blir ofte referert til som i dag. Hadroner er delt inn i to kategorier: mesoner og baryoner .

Atomkjerner består også av kvarker og bundet av den sterke interaksjonen, men blir ikke referert til som hadroner.

Mesoner

Mesoner har heltallsnurr, så de er bosoner . De er bindende tilstander for en kvark og en antikvark. Alle mesoner er ustabile. Den letteste mesonen er pionet , som, avhengig av den elektriske ladningen, forvandles til leptoner eller fotoner ("forfaller"). I Yukawa-teorien betraktes pioner som utvekslingspartikler av kjernekreftene som protoner og nøytroner er bundet til i atomkjernen.

Baryons

Baryoner har halvt helt spinn, så de er fermioner . De er bindingstilstander fra tre kvarker (analoge med antibaryoner fra tre antikvarker). De eneste stabile baryonene er proton og antiproton. Alle andre er ustabile i seg selv og transformeres til slutt til et proton eller antiproton, muligens via mellomliggende trinn. De viktigste baryonene er proton og nøytron . Siden de er komponentene i atomkjernen, blir de samlet referert til som nukleoner .

Atomkjerner

Atomkjerner er bundet system av baryoner på grunn av den sterke interaksjonen. Normalt består de av protoner og nøytroner - bare slike atomkjerner kan være stabile. Det minste stabile systemet av denne typen er atomkjernen til tungt hydrogen, som kalles deuteron og består av en proton og en nøytron, dvs. seks kvarker. Vanligvis er protonen også en av atomkjernene, siden den representerer kjernen til hydrogenatomet . Hvis en eller flere nukleoner erstattes av andre baryoner, snakker man om hyperkjerner . På grunn av den korte rekkevidden av den sterke interaksjonen, er middelavstanden mellom baryonene i atomkjernen ikke mye større enn diameteren.

Atomer

Atomer er systemer bundet av elektromagnetisk interaksjon, som vanligvis består av en (tung) atomkjerne og (lette) elektroner. Hvis et nukleon i atomkjernen og / eller et elektron i skallet erstattes av partikler av en annen art, opprettes et ustabilt eksotisk atom . På 1800-tallet, før atomenes indre struktur ble oppdaget, ble atomene selv noen ganger referert til som de grunnleggende partiklene til de kjemiske elementene.

Stabilitet og levetid

Av de grunnleggende partiklene til standardmodellen er bare elektron, positron, foton og nøytrinoer stabile i en fri, isolert tilstand.

Når det gjelder kvarker og gluoner, er det vanskelig å snakke om stabilitet fordi de ikke kan isoleres. De vises bare i flere sammen i hadroner. I det blir de stadig forvandlet fra en art til en annen av den sterke interaksjonen som holder dem sammen. Stabiliteten til protonen eller mange andre atomkjerner er bare gyldig som en helhet, men ikke for den enkelte kvark eller gluon som er inneholdt der. En nøytrino av en av de tre typene nøytrinoer viser en periodisk skiftende blanding av de tre typene med nøytrinooscillasjonen , men visse blandinger av de forskjellige typene nøytrinoer, de tre egenstatene for masse , er stabile. (Det samme gjelder de respektive antipartiklene.)

De andre elementære partiklene og deres antipartikler er ustabile i ordets vanlige forstand: de transformeres spontant til andre partikler med lavere masse. Loven om radioaktivt forfall gjelder , og basert på radioaktivt forfall , snakker man om forfallet av partiklene, spesielt siden en partikkel alltid gir opphav til to eller tre andre. Imidlertid var forfallsproduktene på ingen måte allerede til stede i den opprinnelige partikkelen. Snarere blir det ødelagt i oppløsningsprosessen, mens oppløsningsproduktene regenereres. Gjennomsnittlig levetid for ustabile elementære partikler er mellom 2 · 10 ⁻⁶  s (muon) og 4 · 10 ⁻²⁵  s (Z boson).

Stabiliteten til elementære partikler som elektronet eller av bundne systemer som proton, atomkjerne eller atom, forklares generelt i standardmodellen med det faktum at det ikke er noen forråtnelsesbane som ikke er forbudt av en av den generelle bevaringen lover. Det følger av loven om energibesparelse at summen av massene til forfallsproduktene ikke kan være større enn massen til den forfallende partikkelen eller systemet. Med loven om bevaring av elektrisk ladning følger det at elektron og positron er stabile fordi det ikke er lettere partikler med samme ladning. For stabiliteten til protonet (og andre kjerner, men også antiprotonet osv.), Må en av de to bevaringslovene for baryon-nummeret eller lepton-nummeret også brukes. Ellers ville positronen (elektronet i tilfelle en negativ elektrisk ladning) være et mulig forfallsprodukt for alle positivt ladede elementære partikler. Imidlertid blir de separate bevaringslovene for kvarker og leptoner kansellert i noen teoretiske modeller utover standardmodellen. Protonens stabilitet blir derfor sjekket i eksperimenter. Forfall av protoner har ennå ikke blitt observert; den gjennomsnittlige levetiden til protonen, hvis den i det hele tatt er endelig, er minst 10 ³⁵ år i henhold til gjeldende status (2017) .

Egenskaper for alle elementære partikler

Følgende gjelder i standardmodellen:

• Alle elementære partikler kan opprettes og ødelegges. Bortsett fra deres tvangsfrie bevegelse gjennom rommet, er skapelse og utslettelse de eneste prosessene de deltar i. Disse er derfor også grunnlaget for enhver interaksjon. Ellers er imidlertid partiklene helt uforanderlige i sine indre egenskaper. Spesielt er de ikke delbare og har ingen spente tilstander.
• Alle elementære partikler av samme slag er identiske ; H. skiller seg ikke ut. I beste fall kan man skille mellom tilstandene som slike partikler for tiden antar. På den annen side er det grunnleggende umulig å bestemme hvilken av flere identiske partikler som hadde eller vil være i en viss tilstand på et tidligere eller senere tidspunkt (se Identiske partikler ).
• Alle ladede elementære partikler har antipartikler som er nøyaktig like i alle egenskaper, bortsett fra at de har motsatte ladninger. De fire uladede elementære partiklene foton, Z ⁰ boson, Higgs boson og to gluoner er deres egne antipartikler. En partikkel og en antipartikkel av samme slag kan tilintetgjøre hverandre. Ingenting annet enn all din energi, momentum og vinkelmoment beholdes. Disse overføres til nyopprettede partikler (se parutslettelse , paropprettelse ).
• Alle elementære partikler virker punktlignende. De antar bare tilstander der de har en romlig utvidet sannsynlighet for deres tilstedeværelse (se bølgefunksjon ). Med økende energiforbruk kan imidlertid denne typen romlig utvidelse skyves under en hvilken som helst tidligere fastsettbar grense uten noen endring i de indre egenskapene til partikkelen. Med elektronet er de tilsvarende eksperimentene lengst avansert og har nådd området 10 ⁻¹⁹  m.
• Alle elementære partikler forblir medlemmer av samme type partikkel til neste interaksjon . Nøytrinoene er et visst unntak: En nøytrino er opprettet i form av en av de tre observerbare typene nevnt ovenfor, men har delvis konvertert til en annen av disse typene ved neste interaksjon av en interaksjon ( nøytrino-svingning ). Denne periodisk skiftende blandingen av de tre observerte artene forklares med det faktum at det teoretisk er tre uforanderlige nøytrino-typer med forskjellige, nøyaktig definerte masser, mens de tre observerte nøytrino-typene er tre visse gjensidig ortogonale lineære kombinasjoner derav. Strengt tatt har de tre observerte artene ikke hver en skarpt definert masse, men en massefordeling.
• De uforanderlige indre egenskapene til alle elementære partikler er
  • dens hvileenergi ( masse ),
  • dens spinn (iboende vinkelmoment, som alltid har samme størrelse, muligens også i resten av partikkelen. Verdien null gjelder bare Higgs boson.)
  • dens indre paritet (definert som positiv for partikler og negativ for antipartikler)
  • dens leptontall (verdi +1 for hvert lepton, −1 for hvert antilepton, null for alle andre partikler)
  • dens baryon-nummer (verdi (av historiske grunner) for hver kvark, for hver antikvark, null for alle andre partikler)${\ displaystyle + {\ tfrac {1} {3}}}$${\ displaystyle - {\ tfrac {1} {3}}}$
  • dens elektriske ladning (hvis den har verdien null, er ikke partikkelen involvert i den elektromagnetiske interaksjonen .)
  • dens svake isospin (hvis den har verdien null og partikkelen heller ikke har elektrisk ladning, er ikke partikkelen involvert i den svake interaksjonen .)
  • dens farge ladning (hvis den har verdien null, idet partikkel ikke er involvert i den sterke vekselvirkning ).

Generasjon og ødeleggelse som grunnlag for alle prosesser

Standardmodellen ser bare på dannelse og ødeleggelse av elementære partikler som mulige prosesser. De tre første eksemplene som forklarer denne vidstrakte uttalelsen:

• Avbøyning av et elektron: En enkel forandring i flyteretningen til et elektron løses i en prosess med utslettelse og opprettelse: Elektronet i sin opprinnelige tilstand tilintetgjøres og et elektron med momentum i den nye retningen genereres. Siden elektroner ikke kan skilles fra partikler, er spørsmålet om "det fortsatt er det samme elektronet" meningsløst. Likevel er denne prosessen vanligvis språklig omskrevet på en slik måte at “elektronet” bare har endret flyretningen. Standardmodellen tillater bare denne prosessen, som kombinerer utslettelse og generering, hvis en utvekslingspartikkel også er involvert. Dette blir enten absorbert (ødelagt) eller emittert (generert) og har i alle fall nøyaktig slike verdier av energi og momentum at begge mengdene beholdes samlet. Utvekslingspartiklene det gjelder i dette eksemplet er foton, Z-boson og Higgs-boson. Alle andre er utelukket: gluoner er uaktuelt fordi elektronet er et lepton og derfor ikke bærer fargeladning; W-bosoner er utelukket på grunn av den strenge bevaringen av den elektriske ladningen, fordi de er ladet; når de oppstår eller forsvinner, må ladningen vises i en av de to andre involverte partiklene. Elektronen har samme ladning før og etter nedbøyningen.
• Forfall av et Z-boson til et elektron-positronpar: Et Z-boson blir ødelagt, et elektron og et anti-elektron (positron) genereres. Den totale elektriske ladningen beholdes fordi elektron-positronparet sammen er nøytralt, som det originale Z-bosonet.
• Konvertering av en nedkvark til en oppkvark: Nedkvarken blir ødelagt, oppkvarken genereres, en utvekslingspartikkel må genereres eller ødelegges. I dette tilfellet må det ikke bare kompensere for (mulig) endring i momentum og energi til kvarkene, men også konvertering av elektrisk ladning fra til . Dette betyr at bare W-bosonen med riktig ladetegn kommer i tvil: hvis det genereres, har det ladningen , ellers . Også her blir denne kombinasjonen av utslettelse og opprettelse av kvarker språklig referert til som konvertering av en kvark til en kvark av en annen type. (Denne prosessen er det første trinnet av beta- radioaktivitet . Det utsendte W ^- bosonet er ikke stabilt, men blir ødelagt i et andre prosess-trinn, hvorved et passende par fermioner genereres. I beta-radioaktivitet er det et elektron, beta-strålingen. og et elektronantineutrino.)${\ displaystyle - {\ tfrac {1} {3}}}$${\ displaystyle + {\ tfrac {2} {3}}}$${\ displaystyle -1}$${\ displaystyle +1}$

Alt dette er eksempler på et "treveis toppunkt", fordi tre partikler alltid er involvert i disse elementære prosesstrinnene, to fermioner og en boson hver. I denne sammenhengen står ordet toppunkt for en viss kombinasjon av skapelses- og ødeleggelsesprosesser. Det kommer fra det grafiske symbolspråket i Feynman-diagrammer , der hver partikkel er representert med en kort linje. Linjene til partiklene som er involvert i en prosess møtes på et felles punkt, toppunktet, hvor de slutter (for utslettelse) eller begynner (for skapelse). Linjer for fermioner (inkludert antifermions) må alltid vises parvis, enten for leptoner eller for kvarker, men ikke blandet. Den tredje linjen må alltid beskrive et boson. Partikler og antipartikler må være involvert på en slik måte at det totale antallet leptoner eller baryoner beholdes. Det er også 3-veis hjørner og 4-veis hjørner med bare bosoner. For andre størrelser som må beholdes for hvert toppunkt, se bevaringsloven .

Handlingen til en fermion på en annen, f.eks. B. den gjensidige frastøtingen av to elektroner er beskrevet som en to-trinns prosess, dvs. med to 3-veis hjørner: I et toppunkt genererer et elektron et foton som absorberes av det andre elektronet i det andre toppunktet. Det sies at elektronene utveksler et foton, hvorfra begrepet utvekslingspartikkel er avledet. Generelt består hver interaksjon mellom to fermioner i det faktum at utvekslingspartikler byttes ut. I henhold til reglene for kvantefeltteori unngår utvekslingspartikkelen direkte observasjon; det er fortsatt en virtuell partikkel . Uansett dette overfører det momentum og energi fra en partikkel til en annen og forårsaker dermed z. B. endringen i flyretningene til partiklene. Dette er en observerbar effekt, da den er forårsaket av en kraft i klassisk fysikk .

Interaksjoner og kostnader

Standardmodellen omhandler tre grunnleggende interaksjoner :

• Den sterke interaksjonen kommer fra fargeladingen . Bare kvarker og lim er fargeladende.
• Den elektromagnetiske interaksjonen er basert på den elektriske ladningen . Alle elektrisk ladede partikler, dvs. alle kvarker, halvparten av leptonene, begge W-bosoner deltar i det, og i tillegg foton , selv om det er ikke ladet.
• Den svake interaksjonen har ingen ladning i analogi med den elektriske ladningen eller fargeladingen. Alle partikler hvis svake isospin eller hvis elektriske ladning er forskjellig fra null, deltar i det, dvs. alle partikler bortsett fra gluon, foton og høyrehendt nøytrino .

Den fjerde grunnleggende kraften, tyngdekraften , virker på alle elementære partikler, siden alle partiklene har en energi. I partikkelfysikk blir det derimot for det meste utelatt på grunn av sin lave styrke, spesielt siden det fremdeles ikke er noen kvanteteori om tyngdekraften. Så er z. B. graviton , det tilknyttede feltkvantumet, så langt rent hypotetisk.

Masse (hvile energi)

Basert på Einsteins ligning E = mc ² tilsvarer massen til en partikkel en energiværdi, resten energi . Siden det i partikkelfysikk vanligvis blir gitt energi i elektronvolt (eV), er masseenheten eV / c ² . Som regel brukes naturlige enheter , i hvilket tilfelle kvotienten "c ² " kan utelates fra spesifikasjonen og massen kan spesifiseres i eV.

Massene til elementære partikler varierer fra 0 eV / c ² ( foton , gluon ) til 173 GeV / c ² ( toppkvark ). For eksempel kan massen av proton er 938 MeV / c ² , som av den elektron 0,511 MeV / c ² . Med verdier på maksimalt 1 eV / c ² , har nøytrinoene de laveste ikke-null massene. I standardmodellen ble de først ansett som masseløse inntil neutrino-svingninger ble observert i 1998 . Fra svingningen kan man konkludere med at de tre typene nøytrinoer har forskjellige masser. Men de er så små at eksakte verdier ennå ikke kunne bestemmes.

Snurre rundt

Alle elementære partikler bortsett fra Higgs-bosonet har et annet vinkelmoment enn null , også kjent som spinn. Dette kan bare forekomme i hel- eller halvtallsmultipler av virkningskvantumet og blir referert til som partikkelens spinnkvantantall . Spinnet er en iboende egenskap for partiklene, mengden kan ikke endres, bare dens orientering i rommet kan endres. Leptoner og kvarker har utvekslingspartiklene , Higgs-bosonen . Generelt danner partiklene med heltalspinn partikkelklassen av bosoner, de med halvtallssnurr danner partikkelklassen av fermioner. Bosons kan opprettes og utslettes hver for seg, f.eks. B. individuelle lyskvanta; Fermions, derimot, eksisterer bare parvis som partikler og antipartikler. For ytterligere konsekvenser av dette grunnleggende viktige skillet, se boson og fermion . ${\ displaystyle \ hbar}$${\ displaystyle J}$${\ displaystyle J = {\ tfrac {1} {2}}}$${\ displaystyle J = 1}$${\ displaystyle J = 0}$${\ displaystyle J}$

Flere kvantetall

Ytterligere kvantetall kvarker og leptoner karakteriserer deres tilknytning til en av de seks artene og ytterligere konserverte mengder, f.eks. B. Isospin , Strangeness , Baryon number , Lepton number . Sammensatte hadroner er symbolet forenklet eller o. Ä. Hvor kvantetallet på pinnene er nødvendig for pariteten , som for G-pariteten og for ladningskonjugasjonen . ${\ displaystyle I}$ ${\ displaystyle S}$ ${\ displaystyle A}$ ${\ displaystyle L}$${\ displaystyle I ^ {G} (J ^ {PC})}$${\ displaystyle J ^ {PC}}$${\ displaystyle J}$${\ displaystyle P}$${\ displaystyle G}$${\ displaystyle C}$

Antipartikkel

Det er antipartikler for alle slags partikler. I noen egenskaper samsvarer partikkelen og den tilsvarende antipartikkelen nøyaktig, f.eks. B. i massen, i mengden spinn, i livet. De skiller seg ut i tegnet på alle avgifter som en bevaringslov gjelder for. Dette gjelder z. B. den elektriske ladningen, baryon- og leptonladningen. For eksempel er protonen positivt ladet og antiproton er negativ.

Partikler uten slike tilbakeholdte ladninger, nemlig foton og Z-boson, er deres egen antipartikkel. Nøytrinoene er ikke inkludert, fordi de bare er elektrisk nøytrale, men bærer den positive leptonladningen som partikler og den negative leptonladningen som antipartikler. Neutrinoer er derfor ikke identiske med antineutrinoer og oppfører seg annerledes i eksperimentet. De to W-bosonene er et partikkel-partikkel-par. En gluon er ladet med en fargeladning og en anti-fargeladning, slik at den tilhørende antigluon allerede er inkludert i gruppen av gluoner.

Siden et par partikler og antipartikler samlet er nøytrale med hensyn til hver av ladningene som oppnås, kan slike par oppstå "fra ingensteds ut" så lenge den nødvendige energien er tilgjengelig for å generere massene deres ( parformasjon ). For eksempel kan et foton (lepton nummer 0, elektrisk ladning 0) bli et lepton (lepton nummer 1, elektrisk ladning -1) og et antilepton (lepton nummer -1, elektrisk ladning +1). Fra en minimumsenergi på 1,02 MeV er det et elektron-positronpar, fra 212 MeV er det også mulig med et muon-antimuonpar. Den motsatte reaksjonen finner også sted: Mens elektron og positron hver er stabile på grunn av oppbevaring av leptontallet eller oppbevaring av elektrisk ladning, utsletter de hverandre når de kommer sammen innen nanosekunder ( utslettelse ) og etterlater seg - i form av passende andre elementære partikler - ingenting annet enn hele energiinnholdet, dvs. minst 1,02 MeV, samt - hvis ikke lik null - deres totale momentum og totale vinkelmoment.

Hypotetiske elementære partikler

Ytterligere partikler ble postulert i teoretiske modeller, hvorav noen er plausible, men noen er veldig spekulative. Disse inkluderer:

• En fjerde generasjon kvarker og leptoner.
• Den Axion og dets super partnere Axino og Saxion vises i utvidelser av quantum chromodynamics .
• Den leptospirose kvarg eller X boson formidler mellom kvarker og leptoner, og kan være ansvarlig for den overskudd av materiale sammenlignet med antimaterie .
• Den sterile nøytrinoen .
• Den graviton er forventet som mekanismen for vekselvirkningen til en teori om kvantetyngde .
• Supersymmetriske teorier postulere eksistensen av en hel klasse av bosoniske “ super partnere ” for de tidligere kjente fermioniske partikler og vice versa.

Merknader

1. ↑ Hvis nøytrinoene er Majorana fermioner , ville disse være identiske med antipartiklene.

Sitater

litteratur

• C. Amsler et al.: Physics Letters. Rad B. Amsterdam 667.2008.1. ISSN  0031-9163 ( Particle Data Group , PDG)
• Oppsummeringstabeller. I: PDG. 15. januar 2008, åpnet 30. september 2008 . 
• Christoph Berger: Elementarteilchenphysik , Springer Verlag, 2. utgave 2006, ISBN 3-540-23143-9
• Klaus Bethge og Ulrich E. Schröder : Elementære partikler og deres interaksjoner - en oversikt. WILEY-VCH, Weinheim 2006. ISBN 3-527-40587-9
• Harald Fritzsch : Elementære partikler. Byggesteiner av materie. Beck, München 2004. ISBN 3-406-50846-4
• Henning Genz : Elementære partikler. Fischer, Frankfurt a. M. 2003. ISBN 3-596-15354-9
• Bogdan Povh et al.: Partikler og kjerner. En introduksjon til de fysiske konseptene. Springer, Berlin 2006. ISBN 3-540-36685-7
• Jörn Bleck-Neuhaus: Elementære partikler . Fra atomer til standardmodell til Higgs boson. 2., revidert utgave. Springer, Berlin Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-32578-6 , doi : 10.1007 / 978-3-642-32579-3 . 

weblenker

Wiktionary: Elementære partikler  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

• Grunnleggende om partikkelfysikk
• Tyske partikkelfysikkoppsøk og infosider
• Partikkelfysikk i fysikkens verden
• Østerrikske partikelfysikk-oppsøkende sider (fra det østerrikske fysiske samfunnet )
• Siegmund Brandt: På jakt etter de minste tingene (lysbilder fra en populærvitenskapelig forelesning, pdf, 5,5 MB)
• Partikkeldatagruppen

Individuelle bevis

1. ↑ Erhard Scheibe : Fysikernes filosofi . 2. utgave. CH Beck, München 2012, ISBN 978-3-406-54788-1 . 
2. ↑ Higgs-partikkel er årets funn. I: sueddeutsche.de. 21. desember 2012, åpnet 9. mars 2018 . 
3. Fr Harald Fritzsch : Elementære partikler - byggesteiner av materie. Beck, München 2004, ISBN 3-406-50846-4 , s. 13.