Cząstki elementarne - ZSE im. A. i J. Vetterów w Lublinie

Cząstki elementarne
Wykonał:
SEBASTIAN SZYMANEK
SEBASTIAN KOZAK
Spis treści














Co to są cząstki elementarne?
Trochę historii
Czy atom jest cząstka elementarna?
Czy jądro jest cząstką elementarna?
Czy proton i neutron są cząstkami elementarnymi?
Kwarki i skala Rzeczy
Cząstki elementarne
Model standardowy
Cząstki w Modelu Standardowym
Antymateria
Generacja cząstek materii
Cztery rodzaje oddziaływań
Cząstki elementarne- opis.
Literatura
Co to są cząstki elementarne?
Są to cząstki, których budowa wewnętrzna nie jest znana i których przy
aktualnym stanie wiedzy i techniki nie można dzielić ich na części składowe. Stanowią
one podstawowe elementy budowy materii, a ich wzajemne oddziaływania warunkują
własności materii i przebieg procesów w otaczającym nas świecie. Cząstki elementarne
charakteryzowane są przez następujące wielkości: masę spoczynkową, ładunek
elektryczny, spin (czyli moment pędu), moment magnetyczny oraz średni czas życia.
Masę spoczynkową cząstek elementarnych określa się jako wielokrotność masy
elektronu lub w jednostkach energii- elektronowoltach (eV); ładunek elektryczny
cząsteczki elementarnej może wynosić 0, +1, -1, +2, -2 ładunku elementarnego
(ładunek elektronu wynosi -1); średni czas życia podawany jest w sekundach.
Podstawowym kryterium podziału cząstek elementarnych jest ich masa spoczynkowa.
Wg tego kryterium, poza fotonem, rozróżnia się cząstki elementarne lekkie - leptony, o
średniej masie - mezony i ciężkie - bariony. Mezony i bariony biorą udział w
oddziaływaniach silnych - są to tzw. hadrony. Wszystkim cząstkom elementarnym
odpowiadają antycząstki. Zjawisko zderzenia cząstki z antycząstką nazwano
ANIHILACJĄ , co oznacza kres ich istnienia. Np. w wyniku zderzenia pozyton i
elektron zamieniają się na dwa fotony.

Wiedza o cząsteczkach elementarnych pochodzi głównie z doświadczeń
prowadzonych w cyklotronach oraz z badań promieniowania kosmicznego. O
istnieniu nie znanych jeszcze cząstek uczeni czasami wnioskują na podstawie
rozważań teoretycznych. Historia odkryć cząsteczek elementarnych liczy ok.
100 lat:-1896r- J.J.Thomson odkrył elektron ujemny -negaton, -1905r-A.
Einstein wprowadził pojęcie fotonu i cząstki te łącznie z protonem były
jedynymi znanymi cząstkami elementarnymi do 1932.-1932r- J. Chadwick
odkrył neutron, a C.D. Anderson i P. Blackett elektron dodatni -pozyton. W.
Pauli przewidział istnienie neutrina-1956r -Reines i C. Cowan doświadczalnie
potwierdzili istnienie neutrina -1935r- H. Yukawa przewidział istnienie
mezonu -1937r- C.D. Anderson i S.H. Neddermeyer wykryli mezon. Kolejne
lata przynosiły, odkrycia nowych cząsteczek elementarnych., obecnie jest ich
już kilkaset. Z definicji cząsteczki wynika jednak, że uznanie określonej cząstki
za elementarną uzależnione jest od stanu wiedzy i techniki doświadczalnej, a
właściwie ich niedoskonałości. Można sądzić, że wiele z cząstek traktowanych
dzisiaj jako elementarne, a może nawet wszystkie, nie zasługuje na to miano.
Obecnie sądzi się powszechnie, że prawdziwie elementarnymi cząstkami są
kwarki.
Trochę historii

Od początków do 1550 r. Grecy przysłużyli się bardzo fizyce tworząc podstawy dla współczesnych
zasad: zasady zachowania materii, teorii atomowej i innych. W następnych stuleciach dokonano
niewielkiego postępu. Dopiero w epoce Renesansu Kopernik wraz z innymi wielkimi myślicielami
zaczęli krytycznie oceniać idee Greków w oparciu o metody empiryczne. Teoria Kopernika zamknęła
poprzedni okres naukowego rozumienia świata i zapoczątkowała rewolucje naukowa, toteż
umieszczamy jego nazwisko w rozdziale o Starożytności.

624-547 p.n.e. Tales z Miletu twierdzili, ze woda jest podstawowym elementem Ziemi. Znal także
przyciągające działanie magnesu i potartego bursztynu.
580-500 p.n.e. Pitagoras utrzymywali, ze Ziemia jest kulista. On także zaszczepili nauce metodę
matematycznego opisu świata.
500-428 p.n.e., 484-424 p.n.e. Anaksagoras i Empedokles. Anaksagoras rzucili wyzwanie
dotychczasowemu przekonaniu o powstawaniu i znikaniu materii nauczając, ze wszelkie zmiany są
spowodowane przegrupowaniami niewidzialnych cząstek (bedac w ten sposob prekursorem prawa
zachowania materii). Empedokles skojarzyl te niewidzialne czastki z czterema elementami: ziemia,
powietrze, ogien i woda.
460 - 370 p.n.e. Demokryt rozwinal teorie wedlug ktorej wszechswiat sklada sie z pustej przestrzeni i
niemal nieskonczonej liczby niewidzialnych czastek, ktore roznia sie miedzy soba ksztaltem, polozeniem i
uporzadkowaniem. Wszystko jest zbudowane z niewidzialnych czastek nazwanych atomami.









384-322 p.n.e. Arystoteles usystematyzowal dotychczasowa wiedze. Chociaz
trudno tu wyroznic jakas teorie, to jego dzielo stalo sie podstawa nauki na
tysiac lat.
310-230 B.C. Arystarch opisal budowe Ukladu Slonecznego analogicznie jak
to zrobil Kopernik 2000 lat pozniej. Jednakze wobec ogromnego autorytetu
Arystotelesa heliocentryczna teoria Arystarcha zostala odrzucona na korzysc
teorii geocentrycznej.
287-212 p.n.e. Archimedes byl pionierem fizyki teoretycznej. Stworzyl on
podstawy hydrostatyki.
70-147 n.e. Ptolomeusz z Aleksandrii zebral cala wiedze z optyki. Opracowal
tez skomplikowana teorie ruchow planet.
~1000 n.e. Arab Alhazen, napisal 7 ksiag o optyce.
1214 - 1294 n.e. Roger Bacon uwazal, ze aby poznac tajemnice przyrody
nalezy zaczac od obserwacji. W ten sposob dostarczyl nam metody rozwijania
teorii dedukcyjnych opartych na faktach doswiadczalnych. 1473 - 1543 n.e.
Mikolaj Kopernik udowodnil teorie, wedlug ktorej Ziemia krazy wokol
Slonca. Ta teoria heliocentryczna byla rewolucyjna poniewaz obalala
dotychczasowy dogmat o autorytecie Arystotelesa i spowodowala przewrot
naukowy i filozoficzny.





Wskutek rewolucji kopernikanskiej stalo sie jasne, ze
teorie naukowe nie moga byc
przyjmowane bez sprawdzania. Wspolpraca
miedzy uczonymi zwiekszyla
sie i zaowocowala
nowymi odkryciami.
1564 - 1642 Galileo Galilei uwazany jest za ojca nowoczesnej fizyki, z
powodu jego dazenia do zastapienia starych przypuszczen przez nowe,
naukowo uzasadnione teorie. Wslawil sie swymi pracami w astronomii i nad
mechanika, torujac droge dla Newtona.
1546 - 1601, 1571 - 1630 Tycho Brahe and Johannes Kepler. Obserwacje
astronomiczne, ktore wykonal Brahe umozliwily Keplerowi stworzyc jego
teorie eliptycznych ruchow planet i dostarczyc dalszych dowodow na korzysc
teorii Kopernika. Kepler takze dal jakosciowy opis grawitacji.
1642 - 1727 Sir Isaac Newton rozwinal prawa mechaniki (obecnie zwane
mechanika klasyczna), ktore ujmuja matematycznie ruch cial.
1773 - 1829 Thomas Young zbudowal falowa teorie swiatla i opisal zjawisko
interferencji.







1791 - 1867 Michael Faraday zbudowal silnik elektryczny i wytlumaczyl
zjawisko indukcji elektromagnetycznej, ktore pokazuje zwiazek miedzy
elektrycznoscia i magnetyzmem. Takze zbadal on zjawisko elektrolizy.
1799 - 1878 Joesph Henry badal indukcje elektromagnetyczna rownolegle z
Faradayem. Jego osiagniecia umozliwily skontruowanie telegrafu.
1873 James Clerk Maxwell poczynili ważne badania w trzech dziedzinach:
widzenie barw, teoria kinetyczno-molekularna i teoria elektromagnetyzmu,
aktora wytlumaczyla rozchodzenie sie swiatla w prozni.
1874 George Stoney stworzyl teorie elektronu i wyznaczyl jego mase.
1895 Wilhelm Röntgen odkryl promienie X.
1898 Maria Curie-Sklodowska and Pierre Curie odkryli pierwiastki
promieniotworcze.
1898 Joseph Thompson zmierzyl wlasnosci elektronu i stworzyl swoj model
"ciasta z rodzynkami" budowy atomu -- naladowanej dodatnio kuli z
ujemnymi rodzynkami-elektronami wewnatrz niej.

Z poczatkiem dwudziestego wieku uczonym wydawalo sie, ze juz
rozumieja podstawowe prawa przyrody. Atomy byly cegielkami
budowy materii, ludzie wierzyli w prawa mechaniki newtonowskiej,
a wiekszosc problemow fizyki byla rozwiazana. Jednakze juz
zastapienie mechaniki Newtona przez teorie wzglednosci Einteina
uswiadomilo uczonym, ze ich wiedza jest daleka od doskonalosci.
Szczegolne zainteresowanie budzila mechanika kwantowa, aktora
kompletnie zmienila pojmowanie fizyki.
Cząstki odkryte w latach 1898 - 1964:






1900 Max Planck wysuwa przypuszczenie, ze promieniowanie jest skwantowane, tzn.
jest przesylane w okreslonych paczkach.
1905 Albert Einstein, jeden z niewielu uczonych, ktorzy potraktowali powaznie idee
Plancka, zaproponowal kwant swiatla, czyli foton, ktory zachowuje sie podobnie do
czastki. Einstein takze stworzyl szczegolna teorie wzglednosci, przewidzial
rownowaznosc masy i energii i badal falowo-czastkowa nature fotonow. 1
909 Hans Geiger i Ernest Marsden, pod kierunkiem Ernesta Rutherforda,
wykonali doswiadczenia, w ktorych rozpraszali czastki alfa przez zlota folie
wskazujace, ze atomy posiadaja male i ciezkie, dodatnio naladowane jadra.
1911 Ernest Rutherford wysuwa hipoteze jadra atomowego, jako wniosek z
doswiadczen Hansa Geigera and Ernesta Marsdena.
1912 Albert Einstein wprowadza koncepcje krzywizny przestrzeni tlumaczac tym
grawitacje. 1913 Niels Bohr tworzy kwantowy model atomu.
1919 Ernest Rutherford dostarcza pierwszej wskazowki istnienia protonu.







1921 James Chadwick i E.S. Bieler wnioskuja o istnieniu sil jadrowych,
ktore utrzymuja jadro atomowe w calosci.
1923 Arthur Compton odkrywa kwantowa nature promieni X potwierdzajac
tym istnienie fotonow.
1924 Louis de Broglie wysuwa hipoteze o falowych wlasnosciach materii.
1925 Wolfgang Pauli formuluje zasade dla elektronow w atomie, znana dzis
jako zakaz Paukiego.
1925 Walther Bothe and Hans Geiger demonstruja spelnienie zasady
zachowania masy i energii w zjawiskach atomowych.
1926 Erwin Schroedinger buduje mechanike falowa opisujaca obiekty
kwantowe zlozone z bozonow. Max Born proponuje probabilistyczna
interpretacje mechaniki kwantowej. G.N. Lewis wprowadza nazwe "foton"
dla kwantu swiatla.
1927 Zaobserwowano, ze pewne ciala emituja elektrony (rozpad beta).
Poniewaz zarowno atom, jak i jadro maja dyskretne poziomy energii, trudno
bylo zrozumiec, dlaczego wysylane elektrony maja ciagly rozklad energii
(wyjasnienie patrz rok 1930). 1927 Werner Heisenberg formuluje zasade
nieoznaczonosci: im lepiej znamy energie czastki, tym gorzej znamy jej czas ( i
na odwrot). To samo dotyczy pedu i polozenia czastki.
1928 Paul Dirac opisuje elektron laczac ze soba mechanike kwantowa i
szczegolna teorie wzglednosci.







1930 Mechanika kwantowa i szczegolna teoria wzglednosci sa mocno
ugruntowane. Sa dokladnie trzy czastki fundamentalne: proton, elektron i
foton. Max Born, po zapoznaniu sie z rownaniem Diraca rzekl: "Fizyka
bedzie ukonczona w ciagu szesciu miesiecy".
1930 Wolfgang Pauli wysuwa hipoteze neutrino w celu wytlumaczenia
ciaglego rozkladu elektronow w rozpadzie beta.
1931 Paul Dirac stwierdza, ze dodatnie czastki wynikajace z jego rownania
powinny istniec (i nadaje im nazwe "pozytony"). Sa one identyczne z
elektronami, ale o dodatnim ladunku. Jest to pierwszy przyklad antyczastki.
1931 James Chadwick odkrywa neutron. Problem wiazania i rozpadu jadra
nabiera pierwszorzednej wagi.
1933-34 Enrico Fermi posuwa naprzod teorie rozpadu beta wprowadzajac
oddzialywanie slabe. Jest to pierwsza teoria uzywajaca neutrino i zmian
"zapachu".
1933-34 Hideki Yukawa laczy teorie wzglednosci i teorie kwantowa w celu
opisania oddzialywan jadrowych za pomoca wymiany nowych czastek
(mezonow zwanych "pionami") miedzy protonami i neutronami. Z rozmiaru
jadra Yukawa wnioskuje, ze masa postulowanych cza stek (mezonow) wynosi
okolo 200 mas elektronu. Jest to poczatek mezonowej teorii sil jadrowych.
1937 Czastka o masie rownej 200 mas elektronu zostaje odkryta w
promieniach kosmicznych. Z poczatku fizycy sadzili, ze jest to pion Yukawy,
ale pozniej okazalo sie, ze jest to mion.







1938 E.C.G. Stuckelberg zauwazyl, ze protony i neutrony nie rozpadaja sie
na kombinacje elektronow, neutrin, mionow lub ich antyczastek. Trwalosci
protonu nie da sie wytlumaczyc prawami zachowania energii i ladunku.
Zasugerowal on, ze ciezkie czastki p odlegaja niezaleznemu prawu
zachowania.
1941 C. Moller and Abraham Pais wprowadzili pojecie "nukleonu" jako
wspolnego okreslenia dla protonu i neutronu.
946-47 Fizycy przekonali sie, ze czastka promieni kosmicznych, aktora miala
byc mezonem Yukawy jest "mionem", pierwsza czastka drugiej generacji. To
odkrycie bylo zupelnym zaskoczeniem -- I.I. Rabi skomentowal: "kto to
zamawial?" Zostalo wprowadzone pojecie "leptonu" dla czastek, ktore nie
oddzialuja silnie ( leptonami sa elektrony i miony).
1947 Mezon oddzialujacy silnie zostal znaleziony w promieniach kosmicznych
i nazwany pionem.
1947 Fizycy rozwijaja metody obliczania elektromagnetycznych wlasciwosci
elektronow, pozytonow i fotonow. Pojawiaja sie diagramy Feynmanna.
1948 Synchrocyklotron w Berkeley wytwarza pierwsze sztuczne piony.
1949 Enrico Fermi and C.N. Yang sugeruja, ze pion jest tworem zlozonym
z nukleonu i anty-nukleonu. Ta idea zlozonych czastek jest bardzo radykalna.







1949 Odkrycie K+ poprzez jego rozpad.
1950 Zostal odkryty pion nuetralny.
1951 Dwa nowe typy czastek zostaja odkryte w promieniach
kosmicznych droga obserwacji sladow w ksztalcie litery V i
rekonstrukcji elektrycznie obojetnych czastek, ktore rozpadajac
sie musialy wytworzyc dwie czastki naladowane zostawiajacych
slady. Czastki te zostaly nazwane lambda0 i K0.
1952 Odkrycie czastki nazwanej delta w czterech odmianach:
delta++, delta+, delta0, and delta-.
1952 Donald Glaser wynalazl komore pecherzykowa.
Kosmotron w Brookhaven, akcelerator na energie 1,3 GeV
zaczyna dzialac.
1953 Poczatek "eksplozji czastek" -- prawdziwej powodzi odkryc
nowych czastek.
1953 - 57 Rozpraszanie elektronow przez jadra ujawnia jak
rozlozony jest ladunek w protonach, a nawet neutronach.
Elektromagnetyczna budowa protonow i neutronow wskazuje na
ich wewnetrzna strukture, chociaz wciaz sa uwazane za czastki
elementarne.





1954 C.N. Yang i Robert Mills tworza nowy typ teorii zwanych
"teoriami cechowania". Wprawdzie jeszcze tego nie
uswiadomiono sobie, te teorie tworza teraz podstawy Modelu
Standardowego.
1957 Julian Schwinger pisze prace, w ktorej proponuje
unifikacje oddzialywania slabego z elektromagnetycznym.
1957-59 Julian Schwinger, Sidney Bludman i Sheldon
Glashow, w niezaleznych pracach sugeruja, ze wszystkie slabe
oddzialywania sa przenoszone przez naladowane ciezkie bozony,
nazwane pozniej W+ i W-. Wlasciwie to Yukawa pierwszy
wprowadzil wymiane bozonu dwadziescia lat wczesniej, ale on
proponowal pion jako posrednika slabej sily.
1961 Wobec tego, ze liczba poznanych czastek wciaz wzrastala,
matematyczny schemat ich klasyfikacji ( grupa SU(3)) ulatwil
fizykom rozpoznanie ich typow.
1962 Eksperymenty udowodnily, ze istnieja dwa rozne typy
neutrin (neutrino elektronowe i neutrino mionowe).
Wywnioskowano to wczesniej z rozwazan teoretycznych.

W polowie lat szescdziesiatych fizycy uswiadomili sobie, ze
ich wyobrazenie, jakoby cala materia zbudowana byla z
protonow, neutronow i elektronow nie wystarcza do
wytlumaczenia mnostwa nowo odkrywanych czastek Teoria
kwarkowa Gell-Manna i Zweiga rozwiazala ten problem. W
ciagu ostatnich trzydziestu lat teoria ta, zwana obecnie
Modelem Standardowym czastek i oddzialywan byla
udoskonalana i zyskiwala aprobate w miare jak naplywaly jej
potwierdzenia z nowych akceleratorow czastek.
Cząstki odkryte od roku 1964 do chwili obecnej:


1964 Murray Gell-Mann i George Zweig rozwineli koncepcje kwarkow.
Zaproponowali oni budowe barionow i mezonow z trzech kwarkow lub
antykwarkow zwanych gorny (up), dolny (down) i dziwny (strange): u, d i s
majacych spin rowny 1/2 a ladunki elektryczne odpowiednio 2/3, -1/3 i -1/3
(okazuje sie, ze ta teori a nie jest zupelnie scisla). Poniewaz takie ladunki nigdy
nie zostaly zaobserwowane, koncepcje kwarkow uwazano raczej za
matematyczny opis schematu czastek niz za teorie rzeczywistych obiektow.
Pozniejsze badania teoretyczne i doswiadczalne utwierdzily przekonanie, ze
kwarki sa realnymi obiektami, chociaz nie mozna ich wyodrebnic. 1964
Poniewaz leptony mozna w pewien sposob sklasyfikowac, w wielu pracach
sugerowano istnienie czwartego kwarku o nowym "zapachu", potrzebnego,
aby uzyskac powtarzajace sie zestawy kwarkow, zwane obecnie rodzinami.
Niewielu fizykow potraktowalo wtedy powaznie ten pomysl. Sheldon
Glashow i James Bjorken ukuli okreslenie "powab" (charm) dla tego
czwartego kwarku (c).
1965 O.W. Greenberg, M.Y. Han i Yoichiro Nambu wprowadzili dla
kwarku koncepcje ladunku kolorowego. Wszystkie obserwowane hadrony sa
kolorowo neutralne (biale). ...1966... Model kwarkow przyjmuje sie dosc
niechetnie, gdyz kwarki nie zostaly zaobserwowane.



1967 Steven Weinberg and Abdus Salam niezaleznie proponuja teorie
unifikujaca elektromagnetyczne i slabe oddzialywania w oddzialywanie
elektroslabe. Ich teoria wymaga, by istnial neutralny, slabo oddzialujacy bozon
(zwany obecnie Z0) przenoszacy slabe oddzialywanie, ktorego jednak nie
obserwowano w tym czasie. Przewiduja oni takze istnienie dodatkowego
ciezkiego bozonu zwanego bozonem Higgsa, ktory jednakze nie nie zostal
zaobserwowany az do dzis.
1968-69 W eksperymencie na akceleratorze liniowym w Stanford, w ktorym
elektrony byly rozpraszane przez protony, okazalo sie, ze elektrony sa
odbijane przez male twarde rdzenie wewnatrz protonow. James Bjorken i
Richard Feynman zanalizowali te wyniki z punktu widzenia hipotezy o
skladowych czastkach wewnatrz protonu (nie uzywali oni nazwy "kwark",
chociaz eksperyment ten dowiodl istnienia kwarkow).
1970 Sheldon Glashow, John Iliopoulos, i Luciano Maiani docenili
waznosc istnienia czwartego typu kwarkow dla Modelu Standardowego.
Czwarty kwark dopuszcza opis teoretyczny oddzialywan slabych bez zmiany
zapachu przenoszonych przez Z0, a nie pozwala na oddzialywania ze zmiana
zapachu.


1973 Donald Perkins zainspirowany przewidywaniem Modelu Standardowego,
ponownie analizuje stare wyniki z CERN i znajduje wskazowki na istnienie slabego
oddzialywania bez wymiany ladunku (przenoszonych przez Z0).
1973 Sformulowano kwantowa teorie pola silnych oddzialywan. Ta teoria kwarkow i
gluonow (obecnie czesc Modelu Standardowego) jest podobna w strukturze do
elektrodynamiki kwantowej (QED), lecz poniewaz silne oddzialywanie zalezy od
ladunku kolorowego, teoria ta nazwana zostala kwantowa chromodynamika (QCD).
Kwarki sa uwazane za czastki realne posiadajace ladunek kolorowy. Gluony sa
bezmasowymi kwantami pola silnego oddzialywania. Ta teorie silnych oddzialywan
zaproponowali po raz pierwszy Harald Fritzsch i Murray Gell-Mann.



1973 David Politzer, David Gross i Frank Wilczek odkryli, ze
kolorowa teoria silnych oddzialywan posiada specjalna
wlasciwosc, zwana teraz "asymptotyczna swoboda". Wlasciwosc
ta jest konieczna dla opisu danych doswiadczalnych na temat
skladnikow protonu z lat 1968-69.
1974 W swoim podsumowaniu wygloszonym na konferencji,
John Iliopoulos przedstawia jako pierwszy wizje fizyki obecnie
zwana Modelem Standardowym. Aby zrozumiec rozmaite
szczegoly Modelu Standardowego odwiedz Sciezke Modelu
Standardowego.
1974 Burton Richter i Samuel Ting prowadzac niezalezne
eksperymenty, oznajmili tego samego dnia o odkryciu tej samej
nowej czastki. Ting i jego zespol w Brookhaven nazwali te
czastke "J", podczas gdy Richter z zespolem w SLAC nazwali ja
"psi". Jako ze ich odkrycia sa jednakowo ważne, czastka jest
powszechnie znana jako J/psi. Czastka J/psi jest mezonem
zawierajacym powab i anty-powab.




1976 Gerson Goldhaber i Francois Pierre odkrywaja mezon D0 (kwarki anty-gorny
i powabny). Przewidywania teoretyczne wspaniale zgadzaja sie z wynikami
doswiadczalnymi potwierdzajacymi slusznosc Modelu Standardowego.
1976 Martin Perl ze wspolpracownikami odkrywa w SLAC lepton tau. Lepton ten,
nalezacy do trzeciej "rodziny" czastek byl zupelnie nieoczekiwany.
1977 Leon Lederman ze wspolpracownikami w Fermilab odkrywaja nastepny kwark
(oraz jego antykwark). Kwark ten nazwany zostal "denny" (bottom). Poniewaz fizycy
spodziewaja sie, ze kwarki chodza parami, odkrycie to wzmoglo poszukiwania szostego
kwarku -- kwarku "szczytowego" (top).
1978 Charles Prescott i Richard Taylor obserwuja slabe oddzialywanie przenoszone
przez Z0 w rozpraszaniu spolaryzowanych elektronow przez deuter, ktore wykazuje
niezachowanie parzystosci, jak to przewidywal Model Standardowy.




1979 Dowod na gluony emitowane przez kwark lub antykwark znaleziono w
akceleratorze o zderzajacych sie wiazkach PETRA w laboratorium DESY w
Hamburgu.
1983 Bozony posredniczace W± and Z0 wymagane przez teorie elektroslaba
zostaly zauwazone w dwoch eksperymentach na akceleratorze w CERN z
wykorzystaniem metod zderzania protonow z antyprotonami, ktore
opracowali Carlo Rubbia and Simon Van der Meer.
1989 Eksperymenty wykonane w SLAC i CERN wykazuja przekonywajaco, ze
istnieja tylko trzy rodziny czastek fundamentalnych. Wynika to czasu zycia
bozonu Z0, ktorego wartosc teoretyczna jest zgodna z doswiadczeniem tylko
przy tym zalozeniu.
1995 Po szesnastu latach poszukiwan na wielu akceleratorach, eksperymenty
CDF i D0 w Fermilab odkrywaja kwark szczytowy (top) z niespodziewanie
duza masa 175 GeV. Nikt nie wie dlaczego masa ta jest tak bardzo rozna od
mas pozostalych pieciu kwarkow.
Czy atom jest cząstka elementarna?

Okolo 1900 roku ludzie mysleli o atomach
jako o malych kuleczkach.




Ale fakt, ze atomy moga byc sklasyfikowane
wedlug ich wlasnosci chemicznych (jak w
ukladzie okresowym) sugeruje, ze atomy nie
sa czastkami elementarnymi.
Oprocz tego eksperymenty uzywajace
innych czastek jako probnikow i pozwalajace
"zajrzec" do wnetrza atomu pokazuja, ze
atomy maja strukture i nie sa po prostu
jednolitymi kuleczkami.
Te doswiadczenia pozwolily ustalic, ze
atomy posiadaja dodatnio naladowane
ciezkie jadro otoczone chmura elektronow
(e).
Czy jądro atomowe jest cząstka
elementarną?

Wiele lat pozniej uczeni
odkryli, ze jadro atomu
jest zbudowane z
protonow (p) oraz z
neutronow (n).
Czy protony i neutrony są cząstkami
elementarnymi?

Okazuje sie, ze nawet protony i neutrony nie sa
czastkami elementarnymi -- sa one zbudowane z jeszcze
bardziej fundamentalnych czastek zwanych kwarkami.

Obecnie fizycy uwazaja, ze wlasnie kwarki i
elektrony sa tymi najbardziej fundamentalnymi
skladnikami materii.

(Jednakze, jest to problem doswiadczalny.)
Kwarki i skala Rzeczy

Wiemy z cala pewnoscia, ze kwarki i elektrony sa mniejsze niz 10 do potegi -18 metra, jest wiec
mozliwe ze nie maja one w ogole zadnego rozmiaru. Jest tez mozliwe, ze kwarki i elektrony nie sa
czastkami elementarnymi, ale zbudowane sa z jeszcze mniejszych czasteczek. (Czy to sie
kiedykolwiek skonczy?)


Podsumowujac, wiemy ze atomy sa zbudowane z protonow, neutronow i elektronow. Protony i
neutrony sa zbudowane z kwarkow, ktore byc moze sa zbudowane z jeszcze bardziej
podstawowych czastek...
...ale, mamy nadzieje ze nie sa.
Cząstki elementarne
Aby zrozumiec jak zbudowany jest wszechswiat
fizycy wciaz poszukuja nowych rodzajow czastek
i oddzialywan. Zastanawiaja sie tez, czy te
czastki ktore aktualnie uwazane sa za elementarne,
sa rzeczywiscie elementarne.


Fizycy odkryli okolo 200 czastek (wiekszosc z nich nie jest czastkami elementarnymi, choc tak
kiedys je nazywano). Nazywaja je literami z alfabetu lacinskiego i greckiego.
Model Standardowy

Fizycy stworzyli teorie, zwana Modelem Standardowym, aktora opisuje materie oraz
wszystkie sily we wszechswiecie (z wyjatkiem grawitacji). Potrafi ona wyjasnic
skomplikowane procesy oraz budowe i wlasnosci setek czastek przy pomocy kilku
tylko czastek elementarnych i oddzialywan pomiedzy nimi.. I w tym tkwi jej piekno.

Czastki przenoszace oddzialywania: Kazde elementarne oddzialywanie
jest "przenoszone" przez czastke (przykladem moze byc foton).
Czastki materii: Wedlug Modelu Standardowego wiekszosc znanych nam
czastek jest zbudowana z kilku elementarnych obiektow zwanych kwarkami.
Istnieje takze inna klasa elementarnych czastek materii zwanych leptonami
(przykladem moze byc elektron).


Tak wiec istnieja dwa rodzaje czastek: czastki ktore sa materia (jak
elektrony, protony, neutrony i kwarki) oraz czastki, ktore przenosza
oddzialywania (jak fotony).
Cząstki w Modelu Standardowym

Zastanawialismy sie nad czastkami materii
opisywanymi przez Model Standardowy.
Podsumowujac...




W Modelu Standardowym budowa wszystkich zaobserwowanych czastek moze
byc opisana przy uzyciu:
6 rodzajow leptonow
6 rodzajow kwarkow, oraz...
Czastek przenoszacych oddzialywania
Dla kazdej czastki materii istnieje jej antyczastka.
Antymateria

Dla kazdej czastki (materia) istnieje odpowiednia antyczastka (antymateria).
Antyczastki sa identyczne z odpowiednimi czastkami za wyjatkiem tego, ze posiadaja
przeciwne ladunki (np. ladunek elektryczny) liczby kwantowe (np. liczba leptonowa,
barionowa, dziwnosc itp). Dla przykladu : proton ma dodatni ladunek elektryczny,
antyproton zas ujemny. Oba za to maja taka sama mase, identycznie wiec oddzialuja
grawitacyjnie. Kiedy spotkaja sie czastka oraz jej antyczastka, to unicestwiaja sie
wzajemnie : masa zamienia sie w czysta energiee. Z tej energii moze sie potem utworzyc
nienaladowana czastka przenoszaca oddzialywania, taka jak foton, bozon Z albo gluon.

Troche terminologii:
Czastke antymaterii oznacza sie piszac symbol odpowiedniej czastki materii i stawiajac nad nim
kreske. Na przyklad, proton ( ) ma odpowiednia antyczastke zapisywana jako i nazywana
antyprotonem. Antyczastka elektronu (e-) jest pozyton (e+).

Generacje cząstek materii


Zauwazmy, ze zarowno kwarki jak i
leptony wystepuja w trzech grupach.
Kazda z tych grup nazywamy
generacja czastek materii. Czastki z
kazdej nastepnej generacji maja coraz
wieksza mase.
Cala widoczna materia we
wszechswiecie jest zbudowana z
czastek pierwszej generacji: kwarkow
gornego (up) i dolnego (down) oraz
elektronow. Czastki drugiej i trzeciej
generacji sa niestabilne i rozpadaja sie
tworzac czastki pierwszej generacji. Z
tego powodu cala stabilna materia we
wszechswiecie jest zbudowana z
czastek pierwszej generacji.
Dlaczego generacje cząstek materii?

Pojawia sie pytanie: jesli prawie nigdy nie obeserwujemy we wszechswiecie czastek z wyzszych
generacji, to co powoduje, ze one w ogole istmieja? Kiedy w roku 1936 odkryty zostal mion ( )
fizyk I.I. Rabi zapytal sie "Kto to zamowil?":


Bez zrozumienia mechanizmu wyjasniajacego istnienie drugiej i trzeciej generacji
czastek nie mozna wykluczyc, ze istnieja jeszcze inne, ciezsze kwarki i leptony.
Mozliwe, ze kwarki i leptony nie sa czastkami elementarnymi, lecz sa zbudowane z
jeszcze mniejszych skladnikow, ktorych wzajemne oddzialywanie ujawnia sie na
zewnatrz jako rozne generacje czastek.
Cztery rodzaje oddziaływań.










Caly znany nam wszechswiat istnieje, poniewaz czastki elementarne oddzialywuja, czy
to rozpadajac sie, anihilujac, lub tez odpowiadajac na sily powstale wskutek obecnosci
innych czastek (np. podczas zderzen). Sa trzy rodzaje oddzialywan pomiedzy
czastkami (silne, slabe, grawitacyjne i elektromagnetyczne):
Powinnismy pamietac o nastepujacych definicjach:
Sila:
 Efekt wywarty na dana czastke przez obecnosc innej czastki.
Oddzialywanie:
 Sily i rozpady jakim
podlega dana czastka.
Slowo "oddzialywanie" nie oznacza
tego samego co slowo "sila",
"oddzialywanie" jest okresleniem
o szerszym znaczeniu. Czesto te
slowa sa zamieniane, ale fizycy
wola slowo "oddzialywanie".
ANION
Jon ujemny; atom lub grupa
atomów wykazująca ujemny ładunek
elektryczny. Aniony mają nadmierną
liczbę elektronów; tworzą się np.
podczas dysocjacji elektrolitycznej.
BARIONY
Cząstki o spinie połówkowym.
Do barionów zalicza się hiperony i
nukleony
oraz ich stany rezonansowe. Bariony biorą
udział w oddziaływaniach silnych,
a także elektromagnetycznych i słabych

Tablica barionów
BOZONY- CZĄSTKI BOSEGO
Cząstki o spinie całkowitym.
Są nimi fotony, mezony,
układy złożone z bozonów,
a także układy złożone z
parzystej liczby fermionów.
Liczba bozonów w
dowolnym stanie
kwantowym nie jest
ograniczona, a układ taki
opisywany jest funkcją
falową.
DEUTERON
Jądro atomu deuteru -wodoru ciężkiego.
Składa się z protonu i neutronu. Liczba
atomowa 1, liczba masowa 2.
Oznaczany symbolem chemicznym D+
lub symbolem d, stosowany jest do
wywoływania reakcji jądrowych.
ELEKTRON
Trwała cząstka elementarna o masie spoczynkowej 9,1 · 10-31kg, ujemnym
ładunku elektrycznym 1,6 · 10-19C i spinie , odkryta w 1897r przez J.J.
Thomsona. Obok protonów i neutronów elektrony są podstawowymi
składnikami materii, tworzącymi w atomach powłoki elektronowe,
których struktura decyduje o właściwościach fizycznych i chemicznych
materii. Elektron posiada swoją antycząstkę - pozyton, o dodatnim
ładunku elektrycznym równym ładunkowi negatonu. Elektrony występują
też jako cząstki swobodne, wyrwane z atomów w wyniku dostarczenia im
odpowiedniej energii większej od pracy wyjścia (pracy, jaką trzeba
wykonać, by przemóc siły wiążące elektron z atomem , np. w zjawisku
fotoelektrycznym lub w wyniku termoemisji). Elektrony swobodne
powstają też w przemianach promieniotwórczych lub rozpadach innych
cząstek elementarnych. Wiązki elektronów, mające też właściwości falowe
zgodnie z hipotezą de Broglie'a, znalazły ważne zastosowanie w
mikroskopach elektronowych.
FERMIONY
Cząstki podlegające statystyce kwantowej
Fermiego-Diraca -stąd nazwa. Charakteryzują się
spinami połówkowymi. Do fermionów należą
m.in. elektrony, nukleony, neutrina
FONON
Kwant energii pola elektromagnetycznego, cząstka elementarna o masie
spoczynkowej m 0 = 0, l ,liczbie spinowej s = 1, nie posiadająca ładunku
elektrycznego ani momentu magnetycznego, poruszająca się z prędkością
światła w próżni. Foton jest kwantem ( czyli porcją) promieniowania
elektromagnetycznego; jego energia (E), pęd (p) i masa (m) zależą od
częstotliwości (ν) promieniowania i są równe: E = hν, p = hν /c, m = h ν /c2,
gdzie: h = 6,62*10-34 Js (stała Plancka). Fotony powstają w wyniku przejścia
atomu lub jądra atomowego z wyższego na niższy poziom energetyczny. I
odwrotnie - gdy atom lub jądro pochłania foton, to przechodzi z niższego na
wyższy poziom energetyczny. Ponieważ różnica energii pomiędzy poziomami
energetycznymi jest ściśle określona, wielkość fotonów emitowanych lub
absorbowanych przez dany atom lub jądro nie może być dowolna, lecz jest
równa tej różnicy. Wynikiem absorpcji fotonu może być zjawisko
fotoelektryczne lub fotoreakcja jądrowa. Hipotezę istnienia fotonu wysunął w
1905r A. Einstein na podstawie koncepcji kwantów M. Plancka.
GLUON
Cząstka elementarna,
bozon pośredniczący w
oddziaływaniach silnych
kwarków. W oddziaływaniach silnych
gluony, odmiennie niż fotony w elektromagnetyzmie, oddziałują
ze sobą. Gluony istnieją w ośmiu stanach ładunkowych (tzw.
kolorach). Dotychczas nie zaobserwowano swobodnego gluona
(być może jest to w ogóle niemożliwe), jednak istnieją silne
przesłanki doświadczalne ich istnienia. Nazwa pochodzi od
angielskiego słowa “glue” (klej)
GRAWITON

Przewidywany teoretycznie, lecz dotąd nie
zaobserwowany kwant pola grawitacyjnego.
Według kwantowej teorii pola grawiton
powinien mieć masę spoczynkową równą zero i
spin równy 2.
HADRONY
Rodzaj najprostszych cząstek elementarnych biorących
udział we wszystkich rodzajach oddziaływań (zwłaszcza
oddziaływań silnych). Dzielą się na bariony (fermiony o
spinie połówkowym) i mezony (bozony o spinie
całkowitym). Większość hadronów jest nietrwała.
Składają się z kwarków, np. bariony są zbudowane z 3
kwarków, mezony zaś z pary kwark-antykwark. Mają
rozmiar rzędu 10-15 metra.
HIPERONY
Cząstki elementarne z grupy barionów, cięższe od
nukleonów, lecz lżejsze od deuteronów.
Hiperony powstają w zderzeniach mezonów i
nukleonów z nukleonami lub jądrami
atomowymi . Są cząstkami nietrwałymi, o
średnim czasie życia rzędu 10-10 sekundy,
rozpadają się zazwyczaj w procesach
oddziaływań słabych, niekiedy w procesach
oddziaływań silnych lub elektromagnetycznych.
Pierwszy hiperon został odkryty w 1947 r
przez G.D. Rochestera i C.C. Butlera.
JON
Atom lub grupa atomów obdarzona ładunkiem elektrycznym;
powstają w wyniku jonizacji, przyłączania elektronów do
obojętnych atomów lub cząsteczek i dysocjacji elektrolitycznej. W
zależności od liczby posiadanych ładunków elementarnych
(przyłączonych lub utraconych elektronów) mogą być jedno-, dwu-,
trój- itd. dodatnie (kationy) lub ujemne (aniony). Charakteryzuje je
również określony promień jonowy i budowa powłoki
elektronowej. Jak elektrony są nośnikami prądu elektrycznego
(mogą się przemieszczać w polu elektrycznym). W gazach szybko
zobojętniają się ( ulegają rekombinacji), w roztworach elektrolitów
są trwałe dzięki wzajemnemu oddziaływaniu z rozpuszczalnikiem,
występują też w węzłach sieci krystalicznej tzw. kryształów
jonowych. Jony swobodne łatwo reagują ze sobą i innymi
substancjami chemicznymi. W organizmach żywych występują we
wszystkich tkankach i cieczach organicznych (wpływając np. na
biochemiczne właściwości białek). Nazwę jonów wprowadził w
1824r M. Faraday
KATION
Jon dodatni, atom lub cząsteczka z niedomiarem elektronów.
Przykłady: kation (prosty) sodu Na+, kation potasu K+,
kation wapnia Ca2+, kation (złożony) amonu NH4+,
kation (kompleksowy) heksaaminaniklu(II) [Ni(NH3)6]2+.
W procesie elektrolizy kationy wędrują do katody
(elektroda).
KWARKI

Podstawowe, uznawane za najbardziej elementarne, cząstki materii, z których
zgodnie ze współcześnie przyjętymi modelami zbudowane są hadrony. W
przyrodzie istnieje 6 kwarków i 6 odpowiadających im antykwarków. Ich odmiany
(tzw. zapachy) oznaczone są pierwszymi literami angielskich nazw: u (up - górny),
d (down - dolny), s (strange - dziwny), c (charm - powabny), b (beauty - piękny,
nazywany także bottom - denny) oraz t (true - prawdziwy lub inaczej top szczytowy). Wszystkie kwarki mają spin ½ liczbę barionową 1/3 oraz jedną z
dwóch wartości ładunku elektrycznego; kwarki u, c, t ładunek 2/3 e, natomiast
kwarki d, s, b ładunek 1/3 e ( e - ładunek elementarny). Kwarki podobnie jak
gluony wiążące kwarki w hadron nie mogą występować jako samoistne obiekty.
Tworzą one inne cząstki (np. protony, neutrony), a jako składniki doskonałe nie
mogą być z nich wydzielone.
Wg modelu kwarkowego kwarki i antykwarki (różniące się od
kwarków w oznaczeniach kreską nad symbolem) o ładunkach
ułamkowych tworzą cząstki o ładunkach całkowitych, np.:
proton o ładunku + 1e tworzony jest przez 2 kwarki u i 1 kwarek
d, neutron - 2 kwarki d i 1 kwarek u, mezon+ - po jednym
kwarku u i d. Hipoteza zakładająca istnienie kwarków jako
podstawowych składników hadronów została sformułowana w
1964 r, niezależnie, przez M. Gell-Manna i G. Zweiga. Nazwa
kwarków wprowadzona przez M. Gell-Manna . Poszukiwania
dowodów istnienia kwarków trwały wiele lat. Pierwsze kwarki
zaobserwowano w 1968 r w Laboratorium Stanforda w USA, a
istnienie ostatniego z sześciu kwarków - (t) - potwierdziły wyniki
badań przeprowadzonych w 1994 r. Odkrycie to uznano za
potwierdzenie słuszności modelu standardowego, najbardziej
zaawansowanego modelu świata materialnego..

Oni otrzymali Nobla za
kwarki
LEPTONY
Cząstki elementarne nie biorące udziału w
oddziaływaniach silnych, np. neutrina, elektrony,
miony. Wszystkie leptony są fermionami, mają
spin połówkowy i liczbę barionową równą 0.
MEZONY
Silnie oddziałujące cząstki elementarne o
spinie całkowitym i zerowej liczbie
barionowej. Do najlepiej poznanych
należą piony (mezony pi) i kaony
(mezony K). Nazwa pochodzi od
greckiego mésos - pośredni, bowiem
mezony mają masę pośrednią między
masą elektronu i masą protonu.
MIONY , μ

Cząstki elementarne o ładunku elektrycznym
równym ładunkowi elektronu i masie 105,7 MeV.
Są nietrwałe (średni czas życia wynosi 2,197 *10-6
s). Mają własności podobne do elektronów.
Odkryte 1937 przez C.D. Andersona i S.H.
Neddermeyera.
NEGATON
Nazwa wprowadzona 1948
dla ujemnego elektronu,
w odróżnieniu od
elektronu dodatniego pozytonu, wraz z którym
tworzy pierwszą poznaną
parę „cząstka –
antycząstka”
NEUTRINO , ν
Trwała cząstka elementarna z grupy leptonów o ładunku
elektrycznym równym zeru i spinie połówkowym oraz bardzo
małej masie spoczynkowej. Neutrina są produktem
promieniotwórczego rozpadu β, wychwytu elektronu i
rozpadu mionów oraz mezonów π i K (istnieją neutrina
elektronowe , neutrina mionowe, neutrina taonowe ). Każdy
cm2 powierzchni Ziemi wypromieniowuje co sekundę ok. 1
mln neutrinów. Neutrino zostało w 1931r przewidziane
teoretycznie przez W. Pauliego, a zaobserwowane w 1956 r
przez F. Reinesa i C.L. Cowana.
NEUTRON
Cząstka elementarna z grupy barionów. Ładunek elektryczny 0,
masa 1,67 · 10-27kg, spin połówkowy. Neutron wraz z
protonami (jako nukleony) wchodzą w skład jąder atomowych.
Swobodny neutron ulega rozpadowi β na proton, elektron i
antyneutrino elektronowe. Średni czas życia 0,93 · 103 s.
Dzięki zerowemu ładunkowi elektrycznemu neutron
wykorzystuje się w badaniach jąder atomowych (brak
kulombowskiej bariery potencjału pozwala neutronowi łatwo
przenikać do jądra atomowego). Neutron został odkryty w
1932 r przez J. Chadwicka.
NUKLEON

Cząstka elementarna, podstawowy składnik
materii jądrowej, istniejąca w dwóch stanach
ładunkowych: nukleon naładowany dodatnio proton, nukleon elektrycznie obojętny - neutron.
Masa obu nukleonów w przybliżeniu wynosi 939
MeV/c2. Zgodnie z teorią Diraca nukleony mają
antycząstki (tzw. antynukleony), których istnienie
zastało potwierdzone doświadczalnie. Nukleony
biorą udział w oddziaływaniach silnych,
elektromagnetycznych i słabych. Liczba
nukleonów w jądrze jest zwana liczbą masową,
ale w atomach danego pierwiastka może być
zmienna -izotopy.
PARTONY
Wspólna nazwa dla cząstek będących składnikami
barionów i mezonów. Hipoteza partonów
sformułowana została po odkryciu złożoności
protonu przez R. Hofstadter. Wykorzystywana
jest w obliczeniach. Zgodnie z obecnym stanem
wiedzy partonami są gluony, kwarki i antykwarki.
POZYTON
Cząstka elementarna (antycząstka
negatonu) o takiej samej masie
jak masa elektronu, lecz o
elementarnym ładunku
dodatnim. Swobodny pozyton
jest cząstką trwałą. Jego
zderzenie z negatonem
prowadzi do anihilacji. Odkryty
w 1932 r przez C.D. Andersona.

Kiedy elektron i pozyton (antyelektron) zderzaja sie przy wysokiej energii moga aninihilowac
produkujac mezony D+ i D- (czastki powabne).

Rysunek 1: Elektron i pozyton zmierzaja ku swej pewnej zagladzie.
Rysunek 2: Zderzaja sie i anihiluja, uwalniajac kolosalne ilosci energii.
Rysunek 3: Elektron i pozyton zanihilowaly w wirtualny foton, lub wirtualna czastke Z , z ktorych
obie sa wirtualnymi czastkami, nosnikami oddzialywan.
Rysunek 4: Z wirtualnego nosnika oddzialywania tworzy sie powabna para: kwark c i antykwark c
Rysunek 5: Kwark i antykwark zaczynaja sie oddalac od siebie, napinajac pole sil kolorowych (pole
gluonowe) pomiedzy soba.








Rysunek 6: Oddalanie kwarkow trwa.
Rysunek 7: Energia nagromadzona w polu sil wzrasta z odlegloscia pomiedzy
kwarkami. Gdy jest jej dostatecznie duzo zostaja zamieniona w pare kwark i antykwark (pamietaj ).
Rysunki 8-10: kwarki i antykwarki grupuja sie w neutralne kolorowo czastki: D+
(mezon skladajacy sie z kwarku powabnego i antykwarku dolnego) oraz D- (mezon
skladajacy sie z antykwarku powabnego i kwarku dolnego)
Stany posrednie tego procesu pojawiaja sie w czasie krotszym niz jedna milardowa,
miliardowej, miliardowej czesci sekundy i sa niemozliwe do zaobserwowania.
PROTON

Trwała cząstka elementarna o masie
spoczynkowej 1,67* 10-27 kg, elementarnym
ładunku dodatnim 1,60* 10-19 C i spinie ½.
Składnik każdego jądra atomowego. Liczba
protonów w jądrze atomowym stanowi
niepowtarzalną cechę charakterystyczną
danego pierwiastka zwaną liczbą atomową (Z).
Odkryty w 1919 r przez E. Rutherforda. W
1955 r odkryto antycząstkę protonu antyproton
TACHIONY
Hipotetyczne cząstki o prędkościach większych
od prędkości światła w próżni. Ruch tachionu
byłby równoważny poruszaniu się wstecz w
czasie.
Literatura




www.google.pl
www.wikipedia.pl
www.pwn.pl
www.ifj.edu.pl