Elementární částice

Názor, že k vysvětlení struktury hmoty stačí trojice částic – proton, elektron a neutron se postupně stal nedostačující. Ukazovalo se, že některá jádra vysílají dosud neznámé částice, které v nich nejsou obsaženy a rodí se až v okamžiku jejich vyslání.


Dodnes jsou objevovány další subnukleární částice. Zkoumání těchto částic spočívá v tom, že se částice přimějí ke srážce a její výsledky se pak vyhodnocují. Srážka elementární částice nerozbíjí, ale naopak je tvoří, a to tím více, čím je srážka prudší.
V současnosti se elementární částice dělí dle rodové příslušnosti na leptony, kvarky, Higgsovy částice a intermediální částice. Podle statického chování je můžeme rozdělit na fermiony a bosony. Stabilita těchto částic je základní podmínkou stability atomy a tedy i hmoty ve Vesmíru.
Dvojici částice - antičástice je zvykem nazývat pár. Jestliže se částice dostane do takové blízkosti ke své antičástici, že mohou vzájemně interagovat, mohou obě částice zaniknout. Tomu se říká anihilace páru. Při anihilaci vznikne jeden nebo více fotonů. Vzniku páru se říká kreace páru.
Elementární částice lze klasifikovat podle nejrůznějších fyzikálních veličin, jako je hmotnost a elektrický náboj. Mnohem důležitější jsou však kvantová čísla, která nemají obdobu v makrosvětě – spin, leptonové číslo, baryonové číslo a schopnost interakce. Každá částice je charakterizována těmito kvantovými čísly a pro různé částice platí různé zákony zachování těchto kvantových čísel.

Dělení částic podle statistického chování

Fermiony
- mají poločíselný spin (všechny leptony a kvarky, všechny baryony).
- 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 částic je antisymetrická.
- podléhají Fermi-Diracově statistice.
- kreační operátory fermionů splňují antikomutační relace.
Bosony
- mají celočíselný spin (všechny skalární i vektorové mezony, foton).
- 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 jako bosony již mohou mít supravodivé vlastnosti.
- vlnová funkce více částic je symetrická.
- podléhají Bose-Einsteinově statistice.
- kreační operátory bosonů splňují komutační relace.
Dělení částic podle rodové příslušnosti



Leptony
- jsou podle dnešních názorů pravé elementární částice bez vnitřní struktury.
- interagují slabou interakcí a neinteragují silně. Nabité leptony pak reagují navíc eletromagneticky, což způsobuje intenzivní interakci s hmotou.
- druhy leptonů:
Elektron e- - první objevená elementární částice – 1897 lord Thomson.
- je stabilní.
- hmotnost elektronu je me = 9,1×10-31 kg.
elektrický náboj elektronu je e = 1,6×10-19 C.
- počet určuje chem. vlastnosti atomu a jsou nositeli el. náboje.
Makroskopický pohyb elektronů vnímáme jako elektrický proud.
- antičástici - pozitron - teoreticky předpověděl P.A.M. Dirac v roce 1928 ještě před jeho objevením.
Elektronové neutrino ne - vždy doprovází elektron
- vzniká při rozpadech, ve kterých vznikl elektron
- má malou hmotnost
- objeveno při b rozpadu neutronu n ® p+ + e- +
- jeho existenci předpověděl W. Pauli v roce 1930. Název neutrino mu dal Enrico Fermi po objevu neutronu v roce 1932 (v italštině znamená neutrino malý neutron). Jeho existence byla potvrzena v roce 1956 v jaderné elektrárně Savannah River v Jižní Karolině (F. Reines, L. Cowan).
Mion m- - těžký elektron, chová se velmi podobně jako elektron.
- hmotnost 207 me
- doba života je přibližně 2×10-6 s. Potom se těžký elektron rozpadá na normální elektron a neutrino: m- ® e- + + nm.
- je vázaný stav s protonem, tzv. mionium
- vyskytuje se v kosmickém záření a do zemské atmosféry vstupuje s relativistickými rychlostmi. Vzhledem ke své době života by neměl nikdy dopadnout na zemský povrch. Díky dilataci času však mion z hlediska pozorovatele na Zemi žije "déle" a má dosti času, aby dopadl na povrch Země. Z hlediska mionu se Země "přibližuje" relativistickou rychlostí a díky kontrakci vzdálenosti nemusí mion k povrchu Země uletět takovou vzdálenost. Vidíme, že z hlediska obou souřadnicových soustav (spojených se Zemí nebo s mionem) je výsledek stejný, mion dopadne na povrch Země.
Mionové neutrino nm - doprovází při slabých rozpadech mion.
- má podobné vlastnosti jako neutrino elektronové.
- objevili ho T. D. Lee a C. N. 0Yang v roce 1962 na urychlovači v Brookhavenu (Long Island, USA). V roce 1998 byla nalezena jeho nenulová hmotnost na aparatuře Super Kamiokande v Japonsku: mn - me @ 0,07 eV.
Tauon t- - supertěžký elektron.
- hmotnost 3 484 me.
- nestabilní částice s dobou života 3×10-13 s. Rozpadá se na své lehčí dvojníky (elektron nebo mion) a neutrina.
- objeven v roce 1977 Martinem Perlem..
Tauonové neutrino nt - doprovází tauon při slabých procesech
- objeveno v laboratoři Fermilab v roce 1999
- generace (pokolení) leptonů:
1. generace – elektron se svým neutrinem
2. generace – mion se svým neutrinem – na zemi se vyskytují zřídka, zpravidla pocházejí z kosmického záření.
3. generace – tauon se svým neutrinem – svou roli sehrála za vzniku Vesmíru.
Existence dalších generací je značně nepravděpodobná, tyto leptony by ovlivnily vznik Vesmíru a ten by dnes vypadal jinak.
- při svém letu se neutrina přeměňují z jedné formy na druhou.Neutrino je chvíli mionové, chvíli tauonové, možná i elektronové. (Tato proměna by například na slunečních neutrinech měla proběhnout každých 1000 km.)

Kvarky
- částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (například proton, neutron a mezony) = hadrony ( z řec. hadros – těžký, silný).
- podléhají interakci silné, slabé i elektromagnetické.
- Kvarky mají bodovou strukturu až do rozměrů 10-18 m (tisícina velikosti protonu).
- kvarkový model byl nezávisle navržen G. Zweigem a M. Gell-Mannem, který kvarky nazval podle románu Jamese Joyce „Smuteční hostina na počest Finnegana" (Finnegans Wake). Hrdina románu vidí ve snu racky, kteří při letu za lodí křičí: „Tři kvarky pro pana Marka". Toto podivné slovo se v románu již nikde jinde nevyskytuje... Sám Gell-Mann zavedl první čtveřici kvarků, vymyslel pro ně nejen jména, ale přiřadil jim i jejich „obrázky".
- podle kvantové charakteristiky nazvané "vůně" je šest kvarků u, d, s, c, b, t. Toto označení kvarků vychází z anglických slov "up" (protonový), "down" (neutronový), "strange" (podivný), "charmed" (půvabný), "bottom" (spodní) a "top" (svrchní). Každá vůně se přitom vyskytuje ve třech "barvách", což je další kvantová charakteristika, a to červené, zelené a modré.
- existenci kvarků d a u potvrdili v roce 1969 na lineárním urychlovači SLAC ve Stanfordu. Kvark s byl nalezen zanedlouho. Kvark c byl objeven ve vázaných stavech charmonia J/y dvěma nezávislými skupinami v roce 1974. Částici J nalezla skupina vedená Tingem na protonovém urychlovači v Brookhavenu v experminetech s fixovaným terčem a stejnou částici pod názevem y nalezla skupina vedená Richterem na kolideru SPEAR ve Stanfordu (objev vešel do dějin jako listopadová J/y revoluce). V roce 1976 byly objeveny vázané stavy kvarku b. Dlouho očekávaná existence posledního kvarku t byla potvrzena až v roce 1994 v laboratoři Fermilab.
- druhy hadronů:
Mezony - složené z kvarku a antikvarku téže barvy – jeví se jako bezbarvé
- dělí se na:
skalární mezony – spin kvarků je orientován naopak, výsledný spin je nulový
vektorové mezony – spin kvarků je orientovaný naopak, výsledný spin je roven 1
dále můžeme rozlišit k-mezony a piony.
- kombinace kvarků se zakreslují do diagramů. Ve směru doprava roste elektromagnetický náboj částice, ve směru nahoru klesá počet podivných kvarků, neboli roste podivnost. Podivnost s kvarku je -1, podivnost antikvarku je +1. Kombinaci kvarků ve středu diagramu je třeba chápat jako kombinaci kvantových stavů.
- vznikají při procesech ovlivňovaných silnou interakcí, rozpadají se slabou interakcí. Nejdelší dobu života má mezon K0: 5×10-8 s. Existují a lze vytvořit i mezony s dalšími kvarky c, b, t.
Baryony - složeny ze tří kvarků z nichž každý musí mít jinou barvu.
- tři kvarky lze kombinovat tak, že výsledný spin je roven 1/2 nebo 3/2.
- rozdělení baryonů:
1. hyperony - částice obsahujíci s kvark
2. nukleony – jaderné částice: proton - těžká částice – hmotnost – 1, 67 . 1027 kg
- kladný náboj
neutron - o necelé 2 promile těžší než proton
- nulový náboj
- generace kvarků:
1. generace – kvarky d, u a jejich antikvarky – běžně se vyskytují v přírodě
2. generace – kvarky s, c – v částicích kosmického záření ( např. hyperony)
3. generace – kvarky b, t – dokážeme je připravit uměle na urychlovačích
Existuje také mnoho hadronů složených z kvarků, které nejsou v základním stavu. Známých hadronů je více než 200.
- ve Fermilabu byly provedeny rozptylové experimenty, které naznačují složení kvarků z tzv. preonů. První preonový model byl vytvořen Salamem a Patim již v roce 1974. Každý kvark či lepton by měl být tvořen ze tří částic: somonu (3 druhy, určuje generaci, nulový náboj), flavonu (2 druhy, určuje vůni "dolní" či "horní", náboj ±1/2) a chromonu (4 druhy, určuje barvu, náboj ±1/6). Dohromady získáme 3×2×4=24 částic, 12 leptonů a 12 kvarků.
Problémy modelu - preony by musely zaujímat prostor menší než 10-18 m a z Heisenbergových relací by musely mít značnou hybnost. Leptony a kvarky by měly větší hmotnost než mají. Nadsvětelné preony by ale přinesly zápornou hmotnost a za cenu ztráty kauzality bychom dostali správné hmotnosti.

Intermediální částice
- obklopují částice podléhající interakci. Pojem pole (elektromagnetické, slabé, silné, gravitační) tak neznamená nic jiného než tento oblak intermediálních částic.
- Jde o tyto částice:
fotony – obklopují elektricky nabité částice
- klidová hmotnost je nulová
- pohybuje se rychlostí světla a nelze je dohonit ani zastavit jinou částicí
gluony – obklopují kvarky a spojují je uvnitř nukleonu
- několikanásobně přesahují hmotnost samotného kvarku
graviton – dosud neobjeven
Podle představ kvantové teorie pole (P. A. M. Dirac, R. Feynman a další) probíhá
interakce dvou částic tak, že si vymění tzv. intermediální (mezipůsobící, polní,
výměnnou) částici.
- v přírodě známe čtyři druhy interakcí:
Elektromagnetická interakce - působí jen na částice s elektromagnetickým nábojem
(elektrony, protony, nabité piony, ...).
- má nekonečný dosah, působí i na velké vzdálenosti.
Slabá interakce - působí na leptony i hadrony.
- zodpovídá za relativně pomalé rozpady částic (například b rozpad
neutronu, rozpad mionu).
- krátký dosah do vzdáleností srovnatelných s rozměry atomového
jádra.
Silná interakce - působí jen na hadrony.
- síla, která spojuje kvarky v mezony a baryony; síla, která udržuje
pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a síla, způsobující
některé rychlé rozpady elementárních částic.
- krátký dosah do vzdáleností srovnatelných s rozměry atomového
jádra.
Gravitační interakce - působí na všechny částice bez rozdílu
- má nekonečný dosah
- odpovídá za strukturu Vesmíru (pohyby planet, soudržnost
galaxií, celkový vývoj Vesmíru).

Higgsovy částice
- zatím nenalezené částice, které by v přírodě měly způsobovat spontánní narušení symetrie elektroslabé interakce SU(2)×U(1)loc. Podstatnou úlohu hrají v teorii elektroslabé interakce, kde způsobují nenulovou hmotnost intermediálních částic slabé interakce a její konečný dosah. Tyto částice by také měly rozhodnou měrou ovlivnit počáteční fáze našeho Vesmíru. Vytvářejí vakuový kondenzát v celém Vesmíru, který může odstartovat inflační vývojovou fázi Vesmíru. Spin částic je nulový, předpokládaná hmotnost leží v intervalu mZ < mh < 2mZ. Po částicích se intenzivně pátrá a měly by být detekovatelné v současné době stavěnými urychlovači.