Elementarpartikel
I fysik er en elementarpartikel eller fundamentalpartikel en partikel, som ikke består af andre partikler.
En elementarpartikel kan tilhøre en af to grupper: en fermion eller en boson. Fermioner er materiens byggesten og har masse, mens bosoner fungerer som kraftbærere for fermionernes vekselvirkninger, og nogle af dem har ingen masse. Standardmodellen er den mest accepterede måde at forklare, hvordan partikler opfører sig, og hvilke kræfter der påvirker dem. Ifølge denne model er elementarpartiklerne yderligere grupperet i kvarker, leptoner og gaugebosoner, hvor Higgsbosonen har en særlig status som en ikke-gaugeboson.
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, dvs. partikler, der er sammensat af andre partikler. Kvarkerne er bundet sammen af gluoner. Kernen har boson pionfelter, der er ansvarlige for den stærke kernekraft, der binder protoner og neutroner mod den elektrostatiske frastødning mellem protoner. Sådanne virtuelle pioner består af par af kvark-anti-kvark-par, der igen holdes sammen af gluoner.
Der er tre grundlæggende egenskaber, der beskriver en elementarpartikel: "masse", "ladning" og "spin". Hver egenskab er tildelt en talværdi. For masse og ladning kan tallet være nul. F.eks. har en foton nul masse, og en neutrino har nul ladning. Disse egenskaber forbliver altid de samme for en elementarpartikel.
- 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).
- 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.
- Spin: En partikels vinkelmoment eller konstante drejning har en bestemt værdi, der kaldes dens spin-tal. Spin for elementarpartikler er 1 eller ½. Spinegenskaben for partikler angiver kun tilstedeværelsen af vinkelmoment. I virkeligheden spinner partiklerne ikke.
Masse og ladning er egenskaber, som vi ser i hverdagen, fordi tyngdekraft og elektricitet påvirker de ting, som mennesker ser og rører ved. Men spin påvirker kun verden af subatomare partikler, så det kan ikke observeres direkte.
Standardmodellen for elementarpartikler. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x1010-30 kg.
Fermioner
Fermioner (opkaldt efter videnskabsmanden Enrico Fermi) har et spin-tal på ½ og er enten kvarker eller leptoner. Der findes 12 forskellige typer fermioner (uden at medregne antimaterie). Hver type kaldes en "flavor". De forskellige varianter er:
- Kvarker: op, ned, charme, mærkelig, top, bund. Kvarker findes i tre par, kaldet "generationer". Den første generation (op og ned) er den letteste, og den tredje (top og bund) er den tungeste. Et medlem af hvert par (up, charm og top) har en ladning på ⅔. Det andet medlem (ned, mærkelig og nederst) har ladning -⅓.
- Leptoner: elektron, myon, tau, elektronneutrino, myonneutrino, taunneutrino. Neutrinoerne har ladning 0, deraf neutr-præfikset. De andre leptoner har ladning -1. Hver neutrino er opkaldt efter sin tilsvarende oprindelige lepton: elektron, myon og tauon.
Seks af de 12 fermioner menes at vare evigt: op- og nedadgående kvarker, elektronen og de tre slags neutrinoer (som konstant skifter smag). De andre fermioner henfalder. Det vil sige, at de nedbrydes til andre partikler en brøkdel af et sekund efter, at de er blevet skabt. Fermi-Dirac-statistik er en teori, der beskriver, hvordan samlinger af fermioner opfører sig. I bund og grund kan man ikke have mere end én fermion på samme sted på samme tid.
Bosoner
Bosoner, der er opkaldt efter den indiske fysiker Satyendra Nath Bose, har spin 1. Selv om de fleste bosoner består af mere end én partikel, er der to slags elementære bosoner:
- Gauge bosoner: gluoner, W+og W-bosoner, Z0bosoner og fotoner. Disse bosoner er bærere af 3 af de 4 fundamentale kræfter og har et spin på 1;
- Gluon: Gluoner: Gluoner er masseløse og ladningsløse partikler, og de er bærere af den stærke kraftvekselvirkning. Sammen med kvarker danner de sammensatte partikler kaldet hadroner, som omfatter protoner og neutroner.
- W- og Z-bosoner: W- og Z-bosoner er partikler, der bærer den svage kraft. W-bosonen har en stofpartikel (W+) og en antimateriepartikel (W-), mens Z-bosonen er sin egen antipartikel. W-bosonen produceres ved beta-henfald, men bliver næsten øjeblikkeligt til en neutrino og en elektron. W- og Z-bosonerne blev begge opdaget i 1983.
- Foton: Fotoner er masseløse og ladningsløse partikler, der bærer den elektromagnetiske kraft. Fotoner kan have en bestemt frekvens, som bestemmer, hvilken elektromagnetisk stråling de er. Som alle andre masseløse partikler bevæger de sig med lysets hastighed (300.000 km/s).
- Higgs boson: Fysikere mener, at massive partikler har masse (dvs. at de ikke er rene energibundter som f.eks. fotoner) på grund af Higgs-vekselvirkningen.
Fotonen og gluonerne har ingen ladning og er de eneste elementarpartikler, der med sikkerhed har en masse på 0. Fotonen er den eneste boson, der ikke henfalder. Bose-Einstein-statistik er en teori, der beskriver, hvordan samlinger af bosoner opfører sig. I modsætning til fermioner er det muligt at have mere end én boson i det samme rum på samme tid.
Standardmodellen omfatter alle de elementarpartikler, der er beskrevet ovenfor. Alle disse partikler er blevet observeret i laboratoriet.
Standardmodellen taler ikke om tyngdekraften. Hvis tyngdekraften fungerer som de tre andre fundamentale kræfter, så er tyngdekraften båret af en hypotetisk boson kaldet graviton. Gravitonen er endnu ikke fundet, så den er ikke medtaget i ovenstående tabel.
Den første fermion, der blev opdaget, og som vi ved mest om, er elektronen. Den første boson, der blev opdaget, og som vi også ved mest om, er fotonen. Den teori, der mest præcist forklarer, hvordan elektronen, fotonen, elektromagnetismen og den elektromagnetiske stråling fungerer sammen, kaldes kvanteelektrodynamik.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er elementarpartikler?
A: Elementarpartikler er partikler, der ikke er lavet af andre partikler.
Spørgsmål: Hvor mange grupper tilhører elementarpartikler?
A: Elementarpartikler kan tilhøre en af to grupper, fermioner eller bosoner.
Spørgsmål: Hvad er standardmodellen?
Svar: Standardmodellen er den mest accepterede måde at forklare, hvordan partikler opfører sig og de kræfter, der påvirker dem.
Spørgsmål: Hvordan er elementarpartiklerne grupperet i henhold til standardmodellen?
Svar: Ifølge standardmodellen er elementarpartiklerne yderligere grupperet i kvarker, leptoner og gaugebosoner, hvor Higgsbosonen har en særlig status som en ikke-gaugeboson.
Spørgsmål: Bliver protoner og neutroner betragtet som elementarpartikler?
Svar: Nej, protoner og neutroner betragtes ikke som elementarpartikler, fordi de hver især består af 3 kvarker, hvilket gør dem til sammensatte partikler - hvilket betyder, at de består af andre mindre partikler.
Sp: Hvilke egenskaber beskriver en elementarpartikel?
Svar: Der er tre grundlæggende egenskaber, der beskriver en elementarpartikel - masse, ladning og spin - og hver egenskab er tildelt en talværdi.
Spørgsmål: Påvirker tyngdekraften alle typer partikler, også dem uden masse som f.eks. fotoner?
Svar: Ja, alle typer partikler, også dem uden masse som f.eks. fotoner, oplever tyngdekraften på grund af den generelle relativitetsteori.
