Az elemi részecskék az univerzum legkisebb ismert építőelemei. Úgy gondolják, hogy azoknak nincs belső szerkezete, vagyis a kutatók nulla dimenziós pontokként gondolkodnak róluk, amelyek nem foglalnak helyet. Az elektronok valószínűleg a legismertebb elemi részecskék, de a fizika standard modellje, amely leírja a részecskék és szinte az összes erő kölcsönhatásait, 10 elemi részecskét ismer fel.
Elektronok és rokon részecskék
Az atomok negatív töltésű komponensei az elektronok. Miközben úgy gondolják, hogy nulla dimenziós pont részecskék, az elektronokat más virtuális részecskék felhő veszi körül, amelyek folyamatosan pislognak a létezésbe és kívül, amelyek lényegében maga az elektron részét képezik. Egyes elméletek azt jósolták, hogy az elektronnak enyhén pozitív és kissé negatív pólusa van, ami azt jelenti, hogy a virtuális részecskéknek ez a felhő kissé aszimmetrikus legyen.
Ha ez lenne a helyzet, az elektronok eltérően viselkedhetnek, mint az antianyag párjuk, a pozitronok, és ez sok rejtélyt magyarázhat az anyaggal és az antianyaggal kapcsolatban. A fizikusok azonban többször megmérték az elektron alakját, és legjobb tudásuk szerint azt tökéletesen kereknek találták, anélkül hogy választ adtak volna az antianyag következményeire.
Az elektronnak két nehezebb unokatestvére van, ezeket nevezik a muonnak és a taunak. Muonok hozhatók létre, amikor a világűrből származó nagy energiájú kozmikus sugarak elérik a Föld légkörének tetejét, egzotikus részecskék zuhanyozásával. A tausok még ritkábbak és nehezebben előállíthatók, mivel több mint 3400-szor nehezebbek, mint az elektronok. A neutronok, elektronok, muonok és tauszok az alapvető részecskék leptonoknak nevezett kategóriáját alkotják.
Kvarkok és ügyességük
A kvarkok, amelyek protonokat és neutronokat alkotnak, az alapvető részecskék másik típusa. A kvarkok és a leptonok együttesen alkotják azokat a dolgokat, amelyekről számítunk.
A tudósok egyszer azt hitték, hogy az atomok a lehető legkisebb tárgyak; a szó a görög "atomos" származik, ami "oszthatatlan" jelentése. A 20. század fordulója során kimutatták, hogy az atommagokat protonok és neutronok alkotják. Aztán az 1950-es és a 60-as évek során a részecskegyorsítók folyamatosan felfedték egzotikus szubatómiai részecskék, például pionok és kaonok sorozatát.
1964-ben Murray Gell-Mann és George Zweig fizikusok önállóan javaslatot tettek egy olyan modellre, amely megmagyarázná a protonok, a neutronok és a részecske-állatkert többi részét, a kaliforniai SLAC Nemzeti Gyorsító laboratórium történelmi jelentése szerint. A protonok és a neutronok belsejében kvarcnak nevezett apró részecskék vannak, amelyek hatféle típusú vagy aromájú: fel, le, furcsa, varázsa, alja és felül.
A protonok két felfelé álló kvarkból és egy lefelé irányuló kvarkból készülnek, míg a neutronok két lefelé és egy felfelé állnak. A fel és le kvarkok a legkönnyebb fajták. Mivel a masszább részecskék hajlamosak kevésbé tömeges részekre bomlani, a fel és le kvarkok szintén a leggyakoribbak az univerzumban; ezért protonok és neutronok képezik az ismert anyag nagy részét.
1977-re a fizikusok elkülönítették a laboratóriumi hat kvarkból öt - fel, le, furcsa, varázsa és alja -, de 1995-ben csak az illinoisi Fermilab Nemzeti Gyorsító laboratórium kutatói találták meg a végső kvarkot, a felső kvarkot. A keresése ugyanolyan intenzív volt, mint a későbbi Higgs-bozon vadászata. A felső kvarkot annyira nehéz volt előállítani, mert körülbelül 100 trilliószor nehezebb, mint a kvarkok, tehát sokkal több energiát igényelt a részecskegyorsítók előállításához.
A természet alapvető részecskéi
Aztán ott áll a természet négy alapvető erő: az elektromágnesesség, a gravitáció és az erős és gyenge nukleáris erők. Ezek mindegyikéhez tartozik egy alapvető részecske.
A fotonok a legismertebbek; hordozzák az elektromágneses erőt. A gluonok hordozzák az erőteljes nukleáris erőt, és a protonok és neutronok kvarcjai között maradnak. A gyenge erőt, amely bizonyos nukleáris reakciókat közvetít, két alapvető részecske, a W és a Z-boszonok hordozza. A neutronok, amelyek csak a gyenge erőt és gravitációt érzik magukat, kölcsönhatásba lépnek ezekkel a boszonokkal, így a fizikusok a CERN szerint először bizonyítékot tudtak szolgáltatni a létükről.
A gravitáció itt kívülálló. Nem épül be a szokásos modellbe, bár a fizikusok azt gyanítják, hogy lehet egy kapcsolódó alapszemcséje, amelyet gravitonnak hívnak. Ha léteznek gravitonok, akkor lehet őket létrehozni a svájci genfben, a Nagy Hadron Összeütközőn (LHC), ám ezek gyorsan eltűnnek további méretekbe, és egy üres zónát hagynak hátra, ahol a CERN szerint. Az LHC eddig nem látott semmilyen gravitont vagy extra méretet.
A megfoghatatlan Higgs-bozon
Végül ott van az Higgs-bozon, az elemi részecskék királya, amely feladata az összes többi részecske tömegének megadása. A Higgs vadászat nagy törekvés volt a tudósok számára, hogy töltsék ki a standard modell katalógusát. Amikor a Higgs-t végül észrevették, 2012-ben a fizikusok örültek, ám az eredmények nehéz helyzetbe is hagyták őket.
A Higgs nagyjából pontosan úgy néz ki, mint amire várható volt, ám a tudósok többre számítottak. A standard modell ismert, hogy hiányos; Például hiányzik a gravitáció leírása, és a kutatók úgy gondolták, hogy a Higgs megtalálása segít más olyan elméletekre mutatni, amelyek felválthatják a standard modellt. De eddig üresen jöttek fel ebben a keresésben.
További erőforrások:
