Elementární částice, standardní fyzikální model částic

Elementární částice: leptony, mezony, baryony, bosony, fermiony a další zvěřinec

Co je elementární částice? Chápání pojmu elementární částice se měnilo s postupujícím časem ruku v ruce s novými poznatky jaderné a částicové fyziky. V ne tak dávné minulosti se za elementární částici považoval atom. Nakonec pojmenování atomu vychází z řeckého atomos - nedělitelný.

Počátkem 20. století ale průkopníci jaderné fyziky zjistili, že atom zase není až tak nedělitelný, elementární, jak se do té doby soudilo. Byly totiž objeveny částice proton a neutron, stavební částice atomového jádra. Do 50. let 20. století bylo známo pouhých šest částic. Byly to elektron, neutron, proton, foton, pozitron a neutrino.

S růstem výkonu urychlovačů se počet známých částic začal rozšiřovat doslova geometrickou řadou. Dnes známe několik stovek částic a rezonancí. Řada z nich byla přitom nejprve předpovězena teoreticky a až následně prokázána experimentálně. Počet dnes známých částic je mnohem vyšší, než kolik současná fyzika potřebuje k vysvětlení struktury látky a působení silových polí.

Čtěte také: Hyperony, podivné nestabilní částice s velice krátkou dobou života

S trochou nadsázky se dá říci, že dnešní svět známých částic je hotový zvěřinec. Binec, ve kterém se řada fyziků, zatím ale marně, snaží udělat pořádek a vnést do světa částic a elementárních částic nějaký jasný řád, systematické třídění částic podle nějakého jasného klíče. Třeba podobného, jaký v chemii představuje Mendělejevova periodická tabulka prvků.

Co je to elementární částice

Neuběhly ani tři čtvrtiny století od objevu neutronu a protonu a věda přišla s objevem kvarků (první r. 1968), stavebních dílků velké řady částic. Včetně protonů a neutronů, které byly do té doby považovány za elementární… Chápání toho, co je elementární částice se s kvarky radikálně změnilo.

Za elementární částice jsou považovány částice, které jsou dále nedělitelné. Tedy částice, které nemají vnitřní strukturu a které by vznikla prostým spojením jiných částic. Za elementární částice jsou považovány leptony a kvarky. A měly by zde patřit i polní částice jako je foton či gluony (bosony).

Kolik elementárních částic účastnících se na stavbě látky ve viditelném vesmíru tedy dnes známe? Jedná se o pouhých dvanáct, ano 12 částic: kvarky u, c, t, d, s, b a leptony elektron, mion, tauon s jejich neutrina - elektronové neutrino, mionové neutrino a tauonové neutrino. Když k nim připočteme polní částice foton a gluony, dostaneme se lehce za dvě desítky částic. Všechny ostatní známé částice mají vnitřní strukturu a podle tohoto klíče je za elementární tudíž považovat nelze.

Dělení částic

Systémů, podle kterých se dají částice třídit bylo navrženo několik. Avšak žádný z nich není úplně ideální, neboť při navržených děleních se mezi sebou mísí částice, které mají jinak velice odlišné vlastnosti - klidovou hmotnost, spin, elektrický náboj a další druhy nábojů jako je baryonový náboj, podivnost, velice odlišnou střední dobu života aj.

Podle vlastností a charakteru interakcí se elementární částice dělí na několik skupin. Podle klidové hmotnosti se částice dělí na lehké částice zvané leptony (např. elektron), středně těžké částice zvané mezony (např. piony) a těžké částice zvané baryony (např. proton).

• leptony - lehké částice
• mezony - středně těžké částice
• baryony - těžké částice

Dalšími důležitými vlastnostmi elementárních částic jsou spin, elektrický náboj a nebo magnetický moment. Podle spinu se elementární částice dělí na dvě velké skupiny - družné bosony s celočíselným spinem a nebo na, obrazně řečeno, nesnášenlivé částice s poločíselným spinem řídící se Pauliho vylučovacím principem - fermiony.

• bosony - částice řídící se Boseho-Einsteinovou statistikou
• fermiony - částice řídící se Fermiho-Diracovou statistikou

Silové interakce

Při vzájemném působení se mezi elementárními částicemi uplatňují tři typy interakcí - silné, elektromagnetické a slabé. Silné interakce, které popisuje kvantová chromodynamika, se uplatňují u hadronů, kam patří mezony a baryony. Interagujícími částicemi jsou kvarky, polní částicí je gluon. Charakteristický čas u silných interakcí je 10^-23 až 10^-22 s.

Charakteristický čas u elektromagnetických interakcí, které se uplatňují mezi elektricky nabitými částicemi, je 10^-20 až 10^-18 s. Interagujícími částicemi jsou např. elektrony a nebo piony, polní částicí je foton.

Charakteristický čas slabých interakcí, které se uplatňují při procesu beta rozpadu a nebo při interakci leptonů s atomovými jádry, je 10^-10 až 10^-8 s. Vzájemně interagují např. elektrony a neutrina, polními částicemi jsou intermediální bosony. Při všech těchto interakcích se zachovávají zákony zachování energie, hybnosti, momentu impulsu i elektrického náboje.

• silná interakce
• elektromagnetická interakce
• slabá interakce

A právě dělení částic podle toho, jakých interakcí se účastní, se dnes, alespoň zatím, jeví jako nejprogresivnější.

CPT symetrie

Další ze základních vlastností částic je parita (symetrie), která vyjadřuje symetrii k záměně prostorových souřadnic. Např. x za -x, y za -y a z za -z. Pravotočivý souřadný systém lze zaměnit za systém levotočivý. Této symetrii se říká prostorová parita a označuje se P. Fyzika částic zná rovněž časovou symetrii T, kde čas t lze zaměnit za -t. Třetí ze symetrií je parita elektrického náboje C, kde lze zaměnit -e za +e.

Fyzika považovala za samozřejmé, že se CPT symetrie v přírodě zachovávají. Tedy že se se stejnou pravděpodobností vyskytují "levé" a "pravé", existují částice a antičástice atd. Avšak dnešní poznatky ukazují, že dílčí parity nemusí být vždy zachovány. Pozorovala se jak narušení prostorové symetrie (při beta rozpadu) tak narušení časové symetrie.

Elementární částice baryony bosony fermiony gluony hadrony hyperony kvarky leptony mezony elektron foton Higgsův boson kaon mion neutrino neutron pion pozitron proton tauon

Další související články: