I fysik er en elementarpartikel eller fundamentalpartikel en partikel, som ikke består af andre partikler. I moderne kvantefeltteori beskrives elementarpartikler som excitationer eller kvanta af underliggende kvantefelter — de er ikke små "klodser", men manifestationer af felter, der gennem kvantemekanikken kan skabe og destruere partikler.

En elementarpartikel kan tilhøre en af to grupper: en fermion eller en boson. Fermioner er materiens byggesten og har typisk masse; de følger Pauli-eksklusionsprincippet, hvilket er afgørende for strukturen i atomer og materialeegenskaber. Bosoner fungerer som kraftbærere for fermionernes vekselvirkninger, og nogle af dem har ingen masse. Ifølge Standardmodellen er elementarpartiklerne yderligere grupperet i kvarker, leptoner og gaugebosoner, hvor Higgsbosonen har en særlig status som en ikke-gaugeboson og er ansvarlig for at give masse til andre partikler gennem Higgs-mekanismen.

Typer og familier

Standardmodellen deler fermionerne i to hovedkategorier:

  • Kvarker: Der findes seks "smag" (up, down, charm, strange, top, bottom). Kvarker bærer også en farve-ladning (color charge) og bindes sammen af gluoner til hadroner (f.eks. protoner og neutroner).
  • Leptoner: Inkluderer elektron, myon, tau og deres tilhørende neutrinoer. Af disse er elektronen den mest velkendte elementarpartikel i atomer; neutrinoerne er meget lette og interagerer svagt med stof.

Der findes tre generationer (familier) af fermioner — hver generation har tungere versioner af de samme typer partikler. Bosonerne i Standardmodellen inkluderer fotonen (elektromagnetisk kraft), W- og Z-bosonerne (svag kraft), gluonerne (stærk kraft) og Higgsbosonen (massegivende felt). Graviton, en hypotetisk bølgebærer for tyngdekraften, indgår ikke i Standardmodellen.

Elementarpartikler i atomer og sammensatte partikler

Af de partikler, der udgør et atom, er det kun elektronen, der er en elementarpartikel. Protoner og neutroner består hver af 3 kvarker, hvilket gør dem til sammensatte partikler. Kvarkerne holdes sammen af gluoner gennem den stærke kernekraft, og denne binding giver også en stor del af massen af protonen og neutronen (bindingens energi bidrager via E = mc²). Kernen oplever desuden en resterende stærk kraft mellem nukleonerne, ofte beskrevet ved udveksling af virtuelle pioner (mesoner), som består af kvark–antikvark-par, og som formidler den effektive kernekraft, der binder protoner og neutroner trods den elektrostatiske frastødning.

Egenskaber: masse, ladning og spin

Der er tre grundlæggende egenskaber, der ofte bruges til at beskrive en elementarpartikel: masse, ladning og spin. Hver egenskab har en numerisk værdi; for masse og ladning kan værdien være nul (f.eks. har en foton næsten nul hvilemasse i Standardmodellen, mens eksperimenter har vist, at neutrinoer har en meget lille, men ikke-nul masse). Disse egenskaber er karakteristiske for typen af partikel og afgør, hvordan den interagerer med andre partikler og felter.

  • Masse: En partikel har masse, hvis det kræver energi at øge dens hastighed eller at accelerere den. Tabellen til højre viser massen for hver enkelt elementarpartikel. Værdierne er angivet i MeV/c2s (det vil sige udtalt megaelektronvolt over "c" i kvadrat), dvs. i enheder af energi over lysets hastighed i kvadrat. Dette kommer fra den specielle relativitetsteori, som fortæller os, at energi er lig med masse gange kvadratet på lysets hastighed. Alle partikler med masse frembringer tyngdekraft. Alle partikler påvirkes af tyngdekraften, selv partikler uden masse som f.eks. fotonen (se den generelle relativitetsteori). Bemærk, at for sammensatte partikler kan massen også indeholde bidrag fra bindingenergi, så massen af en proton er større end summen af hvilemassene af dens kvarker.
  • Elektrisk ladning: Partikler kan have positiv eller negativ ladning eller ingen. Hvis en partikel har en negativ ladning, og en anden partikel har en positiv ladning, tiltrækkes de to partikler af hinanden. Hvis de to partikler begge har en negativ ladning eller begge har en positiv ladning, skubbes de to partikler fra hinanden. På korte afstande er denne kraft meget stærkere end tyngdekraften, som trækker alle partikler sammen. En elektron har ladning -1. En proton har ladning +1. En neutron har en gennemsnitlig ladning 0. Normale kvarker har en ladning på ⅔ eller -⅓. Udover elektrisk ladning findes også andre kvantetal som farveladning (color charge) for kvarker, som styrer den stærke interaktion.
  • Spin: En partikels vinkelmoment eller konstante drejning har en bestemt værdi, der kaldes dens spin-tal. I modsætning til klassisk rotation er spin en kvantemekanisk egenskab uden direkte analogi i hverdagserfaring. Spin for elementarpartikler kan være heltals- eller halvtalsværdier: fermioner i Standardmodellen har spin 1/2, mens bosoner kan have spin 0 (f.eks. Higgs) eller spin 1 (f.eks. foton, W/Z, gluon). Spin bestemmer statistikken: fermioner følger Fermi–Dirac-statistikken (og Pauli-eksklusionsprincippet), mens bosoner følger Bose–Einstein-statistikken og kan ophobe sig i samme kvantetilstand.

Masse og ladning er egenskaber, som vi ser i hverdagen, fordi tyngdekraft og elektricitet påvirker de ting, som mennesker ser og rører ved. Spin påvirker derimod i højere grad de kvantemekaniske regler for, hvordan partikler opfører sig og kan observeres indirekte gennem f.eks. spektre, magnetiske egenskaber og statistiske effekter i kollektive systemer.

Interaktioner og kræfter

Elementarpartikler interagerer via fire fundamentale kræfter:

  • Elektromagnetisk kraft (fotonen) — påvirker ladede partikler.
  • Svag kernekraft (W- og Z-bosoner) — ansvarlig for beta-henfald og neutrinointeraktioner.
  • Stærk kernekraft (gluoner) — binder kvarker sammen i hadroner; denne kraft udviser fænomener som confinement (kvarker kan ikke isoleres) og asymptotisk frihed (svagere binding ved meget høje energier).
  • Tyngdekraft — ekstremt svag på kvanteniveauet og endnu ikke forenet med Standardmodellen i en fuldt kvantiseret teori.

Antipartikler, henfald og virtuelle partikler

Hver elementarpartikel har normalt en antipartikel med samme masse og modsat elektrisk ladning. Mange ustabile partikler kan henfalde til lettere partikler; henfaldsprocesser beskrives af sandsynligheder (levetider) og bestemmes af de relevante kræfter. I kvantefeltteori spiller også virtuelle partikler en rolle i mellemliggende vekselvirkninger — de er ikke direkte observerbare, men påvirker effektive kræfter og målelige størrelser.

Åbne spørgsmål og videre forskning

Selvom Standardmodellen er ekstremt præcis, er der stadig åbne spørgsmål: forklarer den mørk materie og mørk energi? Hvordan kvantificerer vi tyngdekraften fuldt ud? Hvad er oprindelsen af neutrinoernes små masser? Der forskes også i mulige nye partikler og naturens symmetrier ved højere energier (f.eks. ved partikelacceleratorer som LHC) og i astrofysiske observationer.

Samlet set giver begrebet elementarpartikler en ramme for at forstå stoffets og kræfternes mindste byggesten. Den moderne beskrivelse kombinerer kvantemekanik, relativitet og symmetrier i kvantefeltteori for at forklare, hvordan disse partikler opstår og interagerer.