Elementární částice

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání

Elementární částice (též fundamentální nebo základní částice) je částice, jejíž vnitřní struktura je neznámá a není tedy známo, zda se skládá z jiných částic.[1] Elementární částice standardního modelu se dělí na základní fermiony (kvarky, leptony a jejich antičástice) a základní bosony (výměnné bosony a Higgsův boson).[2][3]

V minulosti se hadrony (mezony a baryony jako protony a neutrony) a dokonce i celé atomy považovaly za dále nedělitelné částice (slovo atom znamená nedělitelný). Podstatou teorie elementárních částic je myšlenka z počátku 20. století, a to teorie o kvantech, která radikálně změnila naše chápání elektromagnetického záření a na jejím základě vznikla kvantová mechanika. Pro potřeby matematiky jsou elementární částice považovány za bodové částice, i když některé částicové teorie, jako např. teorie strun, předpokládají, že mají fyzikální rozměry.

Částice standardního modelu[editovat | editovat zdroj]

Standardní model je v současnosti všeobecně uznávaná teorie částic a elektromagnetické, slabé a silné interakce. Obsahuje dva druhy základních částic hmoty - kvarky a leptony, vyskytující se ve třech generačních variantách. Ke každé částici hmoty přísluší odpovídající antičástice. Základním interakcím odpovídají intermediální částice (např. foton elektromagnetické interakci) a v roce 2013 objevené a potvrzené Higgsovy částice. Základní částice hmoty, tedy kvarky a leptony, jsou všechny fermiony, intermediální částice jsou všechny bosony.

Stavební částice hmoty[editovat | editovat zdroj]

První pozorování neutrina

Částice interakcí[editovat | editovat zdroj]

  • Higgsův boson je částice Higgsova pole. Toto pole ve standardním modelu způsobuje nenulovou hmotnost částic W+, W- a Z0.

Teorie mimo standardní model[editovat | editovat zdroj]

Přestože experimentální důkazy potvrzují předpoklady standardního modelu, mnoho fyziků tento model považuje za nedostatečný, protože obsahuje množství neurčitých parametrů, množství základních částic a jiné více teoretické úvahy jako hierarchický problém. Existuje několik spekulativních teorií mimo standardní model, které se pokoušejí odstranit tyto nedostatky.

Velké sjednocení[editovat | editovat zdroj]

Je rozšířením standardního modelu, které se pokouší o sjednocení elektroslabé a síly do jedné velké sjednocené teorie (GUT). Taková síla by se spontánně rozpadala na tři síly způsobem podobným Higgsově mechanismu. Důležitým předpokladem velkého sjednocení je předpovídaná existence X a Y bosonů, způsobujících rozpad protonů. A protože dosud v žádném experimentu takový protonový rozpad nebyl pozorován,[4] tento předpoklad vylučuje nejjednodušší GUT, včetně SU(5) a SO(10).

Supersymetrie[editovat | editovat zdroj]

Supersymetrie rozšiřují standardní model přidáním další třídy symetrií k Langrangeanově funkci. Tyto symetrie zaměňují fermionové částice za bosonové. Tato symetrie předpokládá existenci supersymetrických částic, tzv. sparticles, které zahrnují sleptony, skvarky, neutralina a čardžina. Všechny částice standardního modelu by měly mít tzv. superpartnera - tj. částici, jejíž spin by se lišil o ½. Díky rozpadu supersymetrie jsou sčástice mnohem těžší než jejich běžní příbuzní, dokonce tak těžké, že současné urychlovače částic nejsou dostatečně výkonné, abychom je zaznamenali. Přesto někteří fyzikové věří, že sčástice zpozorují ve Velkém hadronovém urychlovači v CERNu.

Teorie strun[editovat | editovat zdroj]

Teorie strun představuje fyzikální model, ve kterém lze všechny částice tvořící hmotu popsat jako struny (velikosti cca Planckovy délky). Tyto struny vibrují různými frekvencemi, což určuje hmotnost, elektrický náboj, barevný náboj a spin. Struny mohou být otevřené (jako úsečka) nebo uzavřené ve smyčce. Byl nalezen i strunný kandidát pro graviton, tedy dosud hypotetické kvantum gravitačního pole. Jako teorie superstrun se pak označují strunné teorie obsahující supersymetrii a předpovídající supersymetrické partnery známých částic hmoty i pole. Různé varianty teorie superstrun i teorie supergravitace se jeví jako limitní případy obecnější M-teorie, která pracuje se strunnými i vícerozměrnými objekty (p-bránami, kde 1-bránou je struna, 2-bránou dvourozměrný objekt - membrána apod.) existujícími v 11-rozměrném časoprostoru.

Podrobnější informace naleznete v článku Teorie superstrun.

Technicolor[editovat | editovat zdroj]

Technicolor teorie se pokoušejí upravit standardní model jen minimálně a to přidáním nové interakce (síly) podobné QCD. To znamená přidání nové teorie tzv. technikvarků interagujících prostřednictvím technigluonů. Hlavní myšlenkou teorie je, že Higgsův boson není elementární částice, ale vázaný stav těchto objektů.

Navrhované částice za hranicemi standardního modelu[editovat | editovat zdroj]

Předpokládá se, že obdobně jako u ostatních interakcí, existuje intermediální boson odpovídající gravitaci. Označuje se graviton a teoreticky jsou předpovězené některé jeho vlastnosti. Zatím pro graviton neexistují žádné experimentální důkazy a neexistuje ani kvantová teorie gravitace. Je možné, že gravitony bude vysvětlovat některá z teorií, které jsou v současnosti předmětem výzkumu (např. teorie superstrun/M-teorie). Supergravitační unitární teorie pole předpokládá částice s názvem gravitino. Gravitina jsou kvanta kalibračního pole, je superpartnerem gravitonu a má spin 3/2 nebo 5/2. Podobně by měly existovat i fotina, což jsou superpartneři fotonů.

Z navrhované teoreticky lákavé nové symetrie - supersymetrie - plyne existence značného množství částic-superpartnerů současných částic, označovaných podle vzorů např. skvarky, sleptony, sneutrina nebo nových částic bez partnera jako neutralino apod. Žádná z těchto částic dosud nebyla experimentálně nalezená, ale předpokládá se, že některé by mohly být v blízké budoucnosti v dosahu experimentální fyziky (např. na urychlovači LHC).

Bosony a fermiony[editovat | editovat zdroj]

Jedním ze základních rozdílů mezi částicemi je jejich chování ve vícečásticových systémech. Toto chování rozděluje částice na dvě třídy, bosony a fermiony. Rozdíly se projevují ve statistickém chování (tím se myslí chování velkého množství částic jako souboru), (anti)symetričnost vlnové funkce více částic, zda splňují Pauliho vylučovací princip a jejich kreační operátory vyhovují (anti)komutačním relacím, a spinu. Tyto rozdíly spolu vzájemně souvisejí.

Terminologie[editovat | editovat zdroj]

Označení elementární částice má specifické problémy. Přívlastek elementární znamená doslova základní. Běžně se s tím spojují další vlastnosti - dále nedělitelný, bez vnitřní struktury. Ovšem s vývojem poznání se několikrát ukázalo, že částice považované za základní mají vnitřní strukturu a skládají se z částic ještě základnějších. Hadrony (např. proton nebo neutron) byly dlouho považované za nedělitelné, ale standardní model ukazuje, že se skládají z kvarků. Při doslovném výkladu tedy to, které částice jsou elementární, závisí na aktuálním stavu poznání.

Takové označení je ale v praxi krajně nevhodné, a tak se s označením elementární částice drží nejen současný obsah (základní částice standardního modelu), ale i poněkud historický obsah, odpovídající významu elementární před přijetím teorie kvarků. Takové použití elementární částice je potřeba chápat jen jako označení, nikoli jako tvrzení autora, že tyto částice jsou bez vnitřní struktury. (Podobně se užívá název atom, což doslova znamená nedělitelný.)

Někteří autoři dále pod pojem elementární částice zahrnují i více či méně spekulativní „budoucí“ obsah. To se týká gravitonu a někdy i superpartnerů.

Úplný přehled[editovat | editovat zdroj]

Úplný přehled všech objevených elementárních částic v širším slova smyslu, tedy včetně hadronů (i rezonancí), a jejich vlastností i o výsledcích experimentálního hledání částic hypotetických, zpracovává a aktualizuje mezinárodní sdružení Particle Data Group ve svém přehledu The Review of Particle Physics.[5]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. (2012) Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics, 2nd, Springer, 1–3. ISBN 978-94-007-2463-1. 
  2. Gribbin, John(2000). Q is for Quantum - An Encyclopedia of Particle Physics. Simon & Schuster. ISBN 0-684-85578-X. 
  3. Clark, John, E.O.(2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble. ISBN 0-7607-4616-8. 
  4. OLIVE, K. A., et al. (Particle Data Group) The Review of Particle Physics: Particle Listings - Proton (p - mean life). Chin. Phys. C [online]. , srpen 2014, svazek 38, čís. 9:090001, s. 7-8. Dostupné online. PDF: [1].ISSN 1674-1137. DOI:10.1088/issn.1674-1137.  (anglicky) 
  5. http://www-pdg.lbl.gov/

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]