Основите на физиката на елементарните частици

Концепцията за основни, неделими частици се връща към древни гърци (понятие, известно като "атомизъм"). През 20-ти век физиците започват да изследват действията на най-малките нива на материята и сред най-стряскащите им съвременни открития е количеството на различни частици във Вселената. Квантова физика прогнозира 18 вида елементарни частици, а 16 вече са експериментално открити. Физиката на елементарните частици има за цел да намери останалите частици.

Стандартният модел на физиката на частиците, който класифицира елементарните частици в няколко групи, е в основата на съвременната физика. В този модел три от четири основни сили на физиката са описани, заедно с габаритните бозони, частиците, които посредничат в тези сили. Въпреки че гравитацията не е технически включена в Стандартния модел, теоретичните физици работят за разширяване на модела, за да включат и прогнозират квантова теория на гравитацията.

Ако има нещо, от което физиците на частиците изглежда се радват, това е разделянето на частици на групи. Елементарните частици са най-малките съставки на материята и енергията. Доколкото учените могат да разберат, те изглежда не са направени от комбинации от по-малки частици.

Всички елементарни частици във физиката са класифицирани както фермиони или бозони. Квантовата физика показва, че частиците могат да имат присъщо ненулево "въртене" или ъглова инерция, свързани с тях.

Фермион (кръстен на Енрико Ферми) е частица с полу-цяло число спин, докато бозон (кръстен на Satyendra Nath Bose) е частица с цяло число или цяло число. Тези завъртания водят до различни математически приложения в конкретни ситуации. Простата математика за добавяне на цели числа и полуцели показва следното:

• Комбинирането на нечетен брой фермиони води до фермион, тъй като общото завъртане все още ще бъде полу-цяло число.
• Комбинирането на четен брой фермиони води до бозон, тъй като общото завъртане води до цяло число.

Фермионите имат въртене на частици, равно на полу-цяло число (-1/2, 1/2, 3/2 и т.н.). Тези частици съставляват материята, която наблюдаваме във нашата вселена. Двете основни съставки на материята са кварки и лептони. И двете от тези субатомни частици са фермиони, така че всички бозони са създадени от равномерна комбинация от тези частици.

Кваркът е класът на фермиона, който съставя адрони, като например протони и неутрони. Кварки са основни частици, които взаимодействат чрез четирите основни сили на физиката: гравитация, електромагнетизма, слабо взаимодействие и силно взаимодействие. Кварки винаги съществуват в комбинация за образуване на субатомни частици, известни като адрони. Има шест различни вида кварк:

• Долен кварк
• Странен кварк
• Down Quark
• Топ кварк
• Charm Quark
• Up Quark

Лептоните са вид фундаментална частица, която не изпитва силно взаимодействие. Има шест сорта лептон:

• електрон
• Electron Neutrino
• мюон
• Муон Неутрино
• тау
• Tau Neutrino

Всеки от трите „аромати“ на лептон (електрон, мюон и тау) е съставен от „слаб дублет“, споменатата по-горе частица заедно с почти безмасова неутрална частица, наречена a неутрино. По този начин електронният лептон е слаб дублет на електрон и електрон-неутрино.

Бозоните имат въртене на частици, равно на цяло число (цели числа като 1, 2, 3 и т.н.). Тези частици медиират основните сили на физиката при теории на квантовите полета.

• Photon
• W Boson
• Z Boson
• Gluon
• Хигс бозон
• Гравитон

Адрони са частици, съставени от множество свързани заедно кварки, така че тяхното въртене е стойност на полуцело. Адрони са разделени на мезони (които са бозони) и бариони (които са фермиони).

• мезони
• барионите
• нуклоните
• Хиперони: краткотрайни частици, съставени от странни кварки

Молекулите са сложни структури, съставени от множество атоми, свързани заедно. Основният химичен градивен елемент на веществото, атомите са съставени от електрони, протони и неутрони. Протоните и неутроните са нуклони, типът барион, които заедно образуват съставната частица, която е ядрото на атом. Изследването как атомите се свързват заедно, за да образуват различни молекулярни структури, е в основата на съвременното химия.

Може да е трудно да запазите всички имена направо във физиката на частиците, така че може да е полезно да мислите за животинския свят, където такова структурирано именуване може да е по-познато и интуитивно. Хората са примати, бозайници, а също и гръбначни. По същия начин протоните са нуклони, бариони, адрони, а също и фермиони.

Нещастната разлика е, че термините са склонни да звучат сходно помежду си. Объркването на бозони и бариони например е много по-лесно от объркване на примати и безгръбначни. Единственият начин наистина да запазите тези групи частици е внимателно да ги изучите и да се опитате да внимавате кое име се използва.

Редактиран от Ан Мари Хелменстин, д-р