duimnael|320px|Standaardmodel van elementêre deeltjies. In deeltjiefisika is 'n elementêre deeltjie of fundamentele deeltjie 'n subatomiese deeltjie wat nie uit ander deeltjies bestaan nie. Die Standaardmodel erken tans 17 onderskeie deeltjies: 12 fermione en 5 bosone. As gevolg van geur- en kleurkombinasies en antimaterie, is dit bekend dat die fermione en bosone onderskeidelik 48 en 13 variasies het. Onder die 61 elementêre deeltjies wat deur die Standaardmodel ingesluit word, tel elektrone en ander leptone, kwarke en die elementêre bosone. Subatomiese deeltjies soos protone of neutrone, wat twee of meer elementêre deeltjies bevat, staan bekend as saamgestelde deeltjies.
Gewone materie bestaan uit atome, wat self eens as ondeelbare elementêre deeltjies beskou is. Die term "atoom" kom van die Oud-Griekse woord ἄτομος atomos, wat "ondeelbaar" beteken. Ondanks die teorieë oor atome wat duisende jare lank bestaan het, het die feitelike bestaan van atome tot in 1905 omstrede gebly. In daardie jaar het Albert Einstein sy artikel oor Brownse beweging gepubliseer, wat teorieë beëindig het wat molekules as wiskundige illusies beskou het. Einstein het daarna materie geïdentifiseer as uiteindelik saamgestel uit verskeie konsentrasies van energie.
Die subatomiese bestanddele van die atoom is vir die eerste keer teen die einde van die 19de eeu geïdentifiseer. Dit het begin met die ontdekking van die elektron, gevolg deur die proton in 1919, die foton in die 1920's en die neutron in 1932. Teen dié tyd het die opkoms van kwantummeganika die definisie van 'n "deeltjie" radikaal verander deur 'n begrip voor te stel waarin hulle gelyktydig as materiegolwe bestaan het.
Sedert die opstelling van die Standaardmodel in die 1970's is baie teoretiese verwerkings daarvan gedoen. Dit sluit konsepte van supersimmetrie in, wat die getal elementêre deeltjies verdubbel het deur te hipotetiseer dat elke bekende deeltjie 'n "skadu"-maat met 'n baie groter massa het.
Sulke supermaats bly egter steeds onontdek, soos die graviton, 'n bykomende elementêre boson wat vermoedelik swaartekrag bemiddel.
Oorsig Volgens die Standaardmodel is alle elementêre deeltjies óf bosone óf fermione (na gelang van hulle spin). Die deeltjies wat gewoonlik met materie verbind word, is fermione. Hulle het ’n halftallige spin en word verdeel in 12 aromas. Deeltjies wat verbind word met die vier basiese natuurkragte is bosone en hulle het ’n heeltallige spin.
Die simbole vir die verskillende kwarke is afgelei uit die Engelse woorde "u" = up, "d" = down, "c" = charm, "s" = strange, "t" = top en "b" = bottom, terwyl die name en simbole die leptone is van die Griekse letters nu (ν), mu (μ) en tau (τ) afkomstig.
’n Boson wat van die groter familie Higgsbosone kan wees, was teen Julie 2012 die laaste deeltjie wat waarskynlik ontdek is. Hoewel die Standaardmodel uiters suksesvol is, word dit beperk deur die weglating van swaartekrag en is 'n paar parameters lukraak, sonder verduideliking, bygevoeg.
Kosmiese omvang van elementêre deeltjies Volgens die huidige modelle van Groot Knal-nukleosintese behoort die oersamestelling van sigbare materie in die heelal ongeveer 75% waterstof en 25% helium-4 (in massa) te wees. Neutrone bestaan uit een op- en twee afkwarke, terwyl protone uit twee op- en een afkwark bestaan. Aangesien ander algemene elementêre deeltjies (soos elektrone, neutrino's of swak bosone) óf baie lig óf baie skaars is in vergelyking met atoomkerne, kan ons hulle massabydrae tot die totale massa van die waarneembare heelal ignoreer. Daarom kan 'n mens aflei dat die meeste van die sigbare massa van die heelal uit protone en neutrone bestaan, wat, soos alle barione, op hul beurt uit op- en afkwarke bestaan.
Sommige beramings dui daarop dat daar ongeveer barione (byna alles protone en neutrone) in die waarneembare heelal is.Die getal protone in die waarneembare heelal staan bekend as die Eddingtongetal.
Wat die getal deeltjies betref, dui sommige beramings daarop dat byna al die materie, uitgesluit donker materie, in neutrino's voorkom, wat die meerderheid uitmaak van die ongeveer elementêre deeltjies van materie wat in die sigbare heelal bestaan. Ander beramings dui daarop dat daar ongeveer elementêre deeltjies in die sigbare heelal bestaan (sonder om donker materie in te sluit), meestal fotone en ander massalose kragdraers.
Standaardmodel
Die Standaardmodel van deeltjiefisika bevat 12 geure van elementêre fermione, plus hul ooreenstemmende antideeltjies, sowel as elementêre bosone wat die basiese natuurkragte bemiddel en die Higgsboson, wat op 4 Julie 2012 aangemeld is as waarskynlik opgespoor deur die twee belangrikste eksperimente by die Groot Hadronversneller en Compact Muon Solenoid.
Die Standaardmodel word egter wyd beskou as 'n voorlopige teorie eerder as 'n werklik fundamentele een, aangesien dit nie bekend is of dit versoenbaar is met Einstein se algemene relatiwiteitsteorie nie. Daar kan hipotetiese elementêre deeltjies wees wat nie deur die Standaardmodel beskryf word nie, soos die graviton, die deeltjie wat die swaartekrag sou dra, en S-deeltjies, supersimmetriese maats van die gewone deeltjies.
Fermione Generasies + Deeltjiegenerasies Leptone Eerste generasie Tweede generasie Derde generasieNaam Simbool Naam Simbool Naam Simbool elektron muon tau elektronneutrino muonneutrino tauneutrino Kwarke Eerste generasie Tweede generasie Derde generasie opkwark sjarmekwark c bokwark afkwark vreemdkwark onderkwark
Massa Die volgende tabel lys die huidige gemete massa en massaraming van al die fermione met dieselfde meeteenheid: miljoene elektronvolts relatief tot die kwadraat van die ligsnelheid (MeV/c2).
Die akkuraatste bekende kwarkmassa is byvoorbeeld dié van die topkwark teen .
+ Huidige waardes vir die massa van fermione Deeltjiesimbool Deeltjienaam Massawaarde Kwarkmassaramingskema , , Neutrino(enige tipe) < Elektron Opkwark MS-bar-skema ( = ) Afkwark MS-bar-skema ( = ) Vreemdkwark MS-bar-skema ( = ) Muon(mulepton) Sjarmekwark MS-bar-skema ( = c) Tauon (taulepton) Onderkwark MS-bar-skema ( = b) Bokwark
Ramings van kwarkmassas hang af van die weergawe van kwantumchromodinamika wat gebruik word om kwarkwisselwerkings te beskryf. Kwarke is altyd opgesluit in 'n omhulsel van gluone wat 'n baie groter massa aan die mesone en barione gee waarin kwarke voorkom, en daarom kan kwarkmassas nie direk gemeet word nie. Aangesien hulle massa so klein is in vergelyking met die effektiewe massa van die omliggende gluone, kan klein verskille in die berekening groot verskille in die massa veroorsaak.
Antideeltjies Daar is ook 12 fermioniese antideeltjies wat met die 12 fermione ooreenstem. Die elektron het byvoorbeeld ’n antideeltjie met die naam anti-elektron, of positron (), met ’n elektriese lading van +1.
+ Deeltjiegenerasies Antileptone Eerste generasie Tweede generasie Derde generasieNaam Simbool Naam Simbool Naam Simbool positron antimuon antitau elektron-antineutrino muon-antineutrino tau-antineutrino Antikwarke Eerste generasie Tweede generasie Derde generasie op-antikwark sjarme-antikwark bo-antikwark af-antikwark vreemd-antikwark onder-antikwark
Kwarke
Geïsoleerde kwarke en antikwarke is nog nooit opgespoor nie, 'n feit wat deur kleurbinding verklaar word. Elke kwark het een van drie kleurladings van die sterk wisselwerking; antikwarke het 'n teenoorgestelde kleur. Kleurgelaaide deeltjies het 'n wisselwerking deur gluon-uitruiling op dieselfde manier as wat gelaaide deeltjies deur fotone 'n wisselwerking het. Gluone is self kleurgelaai, wat daartoe lei dat die sterk krag versterk word namate kleurgelaaide deeltjies van mekaar geskei word. Anders as die elektromagnetiese krag, wat afneem namate gelaaide deeltjies skei, ervaar kleurgelaaide deeltjies 'n toenemende krag.
Nietemin kan kleurgelaaide deeltjies kombineer om kleurneutrale saamgestelde deeltjies genaamd hadrone te vorm. ’n Kwark kan met ’n antikwark 'n paar vorm: Die kwark het ’n kleur en die antikwark het die ooreenstemmende kleur (teenkleur). Die kleur en teenkleur kanselleer mekaar uit, wat ’n kleurneutrale meson vorm. Alternatiewelik kan drie kwarke saam bestaan, een kwark is "rooi", ’n ander "blou" en ’n ander "groen". Hierdie drie gekleurde kwarke vorm saam ’n kleurneutrale barion. Simmetries kan drie antikwarke met die kleure "antirooi", "antiblou" en "antigroen" ’n kleurneutrale antibarion vorm.
Kwarke het ook fraksionele elektriese ladinge, maar aangesien hulle binne hadrone opgesluit is, waarvan die ladings almal heelgetalle is, is fraksionele ladings nog nooit geïsoleer nie. Let daarop dat kwarke elektriese ladings van óf e óf e het, terwyl antikwarke ooreenstemmende elektriese ladings van óf e óf e het.
Bewyse vir die bestaan van kwarke kom uit onelastiese verstrooiing: deur elektrone op atoomkerns af te vuur om die verspreiding van lading binne nukleone (wat barione is) te bepaal. As die lading eweredig versprei is, behoort die elektriese veld rondom die proton eenvormig te wees en die elektron behoort elasties te verstrooi. Lae-energie-elektrone verstrooi inderdaad op hierdie manier, maar bo 'n sekere energie buig protone sommige elektrone teen groot hoeke af. Die terugstuitende elektron het veel minder energie, en 'n straal deeltjies word uitgestraal. Hierdie onelastiese verstrooiing dui daarop dat die lading in die proton nie eenvormig is nie, maar in kleiner gelaaide deeltjies, naamlik kwarke, verdeel is.
Fundamentele bosone In die Standaardmodel bemiddel vektorbosone (spin -1) (gluone, fotone en die W- en Z-bosone) kragte, terwyl die Higgsboson (spin 0) verantwoordelik is vir die massa van deeltjies. Bosone verskil van fermione deurdat veelvuldige bosone dieselfde kwantumtoestand kan beset (Pauli-uitsluitingsbeginsel). Bosone kan ook óf elementêr wees, soos fotone, óf 'n kombinasie, soos mesone. Die spin van bosone is heeltallig in plaas van halftallig.
Gluone Gluone bemiddel die sterk wisselwerking, wat kwarke saambind en sodoende hadrone vorm, wat óf barione (drie kwarke) óf mesone (een kwark en een antikwark) is.Seksie 6.1. in Protone en neutrone is barione wat deur gluone verbind word om die atoomkern te vorm. Soos kwarke toon gluone ook kleur en antikleur – wat nie verband hou met visuele kleur nie, maar eerder met die deeltjies se sterk wisselwerkings – soms in kombinasies, wat altesaam agt variasies van gluone tot gevolg het.
Elektroswak bosone Daar is drie swak bosone: W+, W-, en Z0; hulle bemiddel die swak wisselwerking. Die W-bosone is bekend vir hulle rol in kernverval: Die W- verander 'n neutron in 'n proton en verval dan in 'n elektron en 'n elektron-antineutrino-paar.
Die Z0 verander nie die deeltjie se geur of lading nie, maar verander eerder momentum; dit is die enigste meganisme vir die elastiese verstrooiing van neutrino's. Die swak bosone is ontdek deur die verandering in momentum van elektrone as gevolg van neutrino-Z-uitruiling.
Die massalose foton bemiddel die elektromagnetiese wisselwerking. Hierdie vier bosone vorm saam die elektroswak wisselwerking tussen elementêre deeltjies.
Higgsboson
Alhoewel die swak en elektromagnetiese kragte by alledaagse energieë baie verskillend voorkom, word daar geteoretiseer dat hierdie twee kragte by hoë energieë as 'n enkele elektroswak krag verenig. Hierdie voorspelling is duidelik bevestig deur metings van die deursnee van hoë-energie-elektron-proton-verstrooiing by die HERA-deeltjieversneller by die Deutsches Elektronen-Synchrotron.
Die verskille by lae energieë is 'n gevolg van die groot massas van die W- en Z-bosone, wat op hulle beurt 'n gevolg is van die Higgsmeganisme. Deur die proses van spontane simmetriebreking kies die Higgs 'n spesiale rigting in die elektroswak ruimte, wat veroorsaak dat drie elektroswak deeltjies baie swaar word (die swak bosone) en een sonder 'n gedefinieerde rusmassa bly omdat dit altyd in beweging is (die foton).