cząstki elementarne
 
Encyklopedia
cząstki elementarne,
obiekty, których istnienie i wzajemne oddziaływanie pozwala wyjaśnić formy występowania i zachowania się materii.
Lista cząstek i oddziaływań uważanych za elementarne zmienia się w miarę postępu wiedzy o strukturze i organizacji materii. Obecnie do cząstek elementarnych zalicza się: leptony, kwarki oraz bozony pośredniczące w oddziaływaniach; cząstki te traktuje się jako obiekty nie mające struktury wewnętrznej (cząstki fundamentalne). W szerszym znaczeniu cząstkami elementarnymi nazywa się, ze względów historycznych, również hadrony (m.in. proton, neutron, mezony, hiperony) — cząstek takich jest kilkaset. Każdej cząstce odpowiada antycząstka o takiej samej masie i czasie życia, a różniąca się od niej znakiem ładunku elektrycznego i innych addytywnych liczb kwantowych.
W zakresie energii dostępnej obecnie badaniom, oddziaływania cząstek elementarnych dzieli się na: grawitacyjne, elektromagnetyczne, słabe (oddziaływania elektromagnetyczne i słabe są opisywane w ramach jednolitej teorii, jako oddziaływania elektrosłabe) i silne. Oddziaływania grawitacyjne i elektromagnetyczne mają zasięg nieskończony; są to tzw. oddziaływania długozasięgowe. Oddziaływania słabe i silne należą do oddziaływań krótkozasięgowych, o zasięgu odpowiednio rzędu 10–18 m i 10–15 m. Moc oddziaływania charakteryzuje bezwymiarowa stała sprzężenia; największą stałą sprzężenia mają oddziaływania silne (stąd nazwa), a najmniejszą — oddziaływania grawitacyjne, którym podlegają wszystkie cząstki elementarne.
Cząstki elementarne dzieli się ze względu na spin (spin jest wyrażany w jednostkach , gdzie = h/2π, a h — stała Plancka) na fermiony (spin połówkowy) i bozony (spin całkowity). Cząstki fundamentalne do tej pory zaobserwowane to leptony — elektron (e), mion (μ), taon (τ) (spin 1/2; zdolne tylko do oddziaływań elektrosłabych) i odpowiadające im neutrina — neutrino elektronowe νe (powstające w rozpadzie β), neutrino mionowe νμ i neutrino taonowe ντ, kwarki — u, d, c, s, t, b (spin 1/2; zdolne do oddziaływań silnych i elektrosłabych) oraz bozony pośredniczące (spin 1; 8 gluonów pośredniczących w oddziaływaniach silnych, bozony W+, W, Z0 i foton pośredniczące w oddziaływaniach elektrosłabych). Do bozonów pośredniczących należy też hipotetyczna cząstka przenosząca oddziaływanie grawitacyjne — grawiton (spin 2). Masy cząstek elementarnych (oprócz bezmasowych gluonów, fotonu, i grawitonu) są zawarte między ułamkiem eV (neutrina), a 174 GeV (kwark t). Do cząstek elementarnych zalicza się również dotąd nieodkrytą cząstkę Higgsa (o spinie 0).
Do cząstek elementarnych (ale nie fundamentalnych) zalicza się też cząstki złożone oddziałujące silnie, czyli hadrony, które dzielą się na mezony o spinie całkowitym (złożone z kwarku i antykwarku) oraz bariony o spinie połówkowym (złożone z 3 kwarków).
Źródłem informacji o cząstkach elementarnych jest badanie zderzeń cząstek elementarnych przy wysokich energiach. Źródłem wysokoenergetycznych cząstek są akceleratory cząstek naładowanych oraz promieniowanie kosmiczne. Głównymi ośrodkami badań cząstek elementarnych rozporządzającymi akceleratorami o najwyższych energiach są: Fermi National Accelerator Laboratory w Batavii (USA), Europejskie Centrum Badań Jądrowych (CERN) w Genewie, Ośrodek Badań Jądrowych w Sierpuchowie, Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) w Hamburgu oraz Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) w Stanford. Pierwszą odkrytą cząstką elementarną był elektron (J.J. Thomson, 1897); do 1932 jedynymi znanymi cząstkami elementarnymi, oprócz elektronu, były foton i proton. Od 1932, kiedy został odkryty neutron (J. Chadwick) i pozyton (C.D. Anderson), datuje się szybki rozwój badań nad cząstkami elementarnymi, a w jego następstwie — odkrycie mezonów, hiperonów, neutrin i wielu antycząstek.
Bibliografia
D.H. Perkins Wstęp do fizyki wysokich energii, Warszawa 1989;
S. Weinberg Sen o teorii ostatecznej, Warszawa 1994;
E. Skrzypczak, Z. Szefliński Wstęp do fizyki jądra atomowego i cząstek elementarnych, Warszawa 1995.
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia