Klasyfikacja cząstek elementarnych

1. Definicja:
Cząstka elementarna to najmniejszy składnik materii, który przy stosowaniu aktualnie dostępnych energii nie daje się rozłożyć na mniejsze elementy. Czas życia cząstki elementarnej zawiera się w przedziale od 10–23 s do ∞ (stabilne cząstki). Aktualnie znanych jest kilkaset cząstek, które ze względu na masę dzieli się na 4 grupy: fotony, leptony, mezony i bariony. Kryterium elementarności ściśle spełniają jedynie lepiony.

2. Własności:
– posiadają ładunek elektryczny lub są elektrycznie nie naładowane,
– posiadają masę spoczynkową zawierającą się w przedziale od 0 do kilku tysięcy mas elektronu,
– wiele cząstek może ulegać rozpadom; obowiązują przy tym zasady zachowania pędu, energii i pewnych liczb kwantowych,
– każdej cząstce elementarnej odpowiada jej antycząstka; cząstka
i antycząstka mają taką samą masę, spin oraz ładunek
o przeciwnych znakach (np. antycząstką elektronu jest pozyton),
– w wyniku oddziaływania cząstki z jej antycząstką powstaje kwant promieniowania o energii E = 2m0c2 (zjawisko anihilacji).

3. Przykłady cząstek reprezentujących poszczególne grupy klasyfikacyjne oraz główne własności (masa podana w jednostkach energii zgodnie ze wzorem m=E/c2, spin – sz w jednostkach h i czas życia w sekundach).

4. Bozon, obiekt kwantowy o symetrycznej funkcji falowej, podlega statystyce (rozkładowi) Bosego-Einsteina, ma spin całkowity. Bozonami są pewne cząstki elementarne, takie jak: kwant promieniowania elektromagnetycznego (foton), bozony pośredniczące W+ W- Z0 i gluony, ale również pewne quasi-cząstki pojawiające się w kryształach (np. fonon) oraz mezony. Bozon jest też układem parzystej liczby fermionów. Charakterystyczną cechą bozonów jest to, że wiele ich może znajdować się w tym samym stanie kwantowym.

5. Lepton (z gr. leptós - lekki, drobny) to grupa 12 cząstek elementarnych (6 cząstek i 6 antycząstek). Zaliczają się do niej: elektron, mion, taon, neutrino elektronowe, neutrino mionowe, neutrino taonowe oraz odpowiadające im antycząstki: pozyton (antyelektron), antymion, antytaon i antyneutrina. Ostatnim odkrytym (2000) leptonem było neutrino taonowe. Wszystkie leptony, z wyjątkiem neutrin i antyneutrin, posiadają ładunek ujemny (dla cząstek, np. elektronów) lub dodatni (dla antycząstek, np. pozytonów). Natomiast neutrina i antyneutrina posiadają ładunek zerowy. Leptony posiadają dwie specyficzne liczby kwantowe:
o liczbę leptonową +1 dla leptonów, -1 dla antyleptonów - liczba ta jest zawsze zachowana
o liczbę zapachową - elektrony i neutrina elektronowe mają "zapach" elektronowy dodatni, natomiast pozytony i antyneutrina elektronowe ujemny, itd.
Liczba zapachowa nie jest zachowana w oscylacjach neutrin. Leptony podlegają oddziaływaniom słabym.

6. Hadron to cząstka złożona z kwarków. Suma ładunku elektrycznego kwarków tworzących hadron jest zawsze całkowita. Pojedynczy kwark ma ułamkowy ładunek elektryczny, który jednak nigdy nie jest obserwowany, gdyż kwarki nie występują pojedynczo. Pojedyncze kwarki posiadają ładunek kolorowy, natomiast hadrony są kolorowo obojętne. Istnieją dwa rodzaje hadronów:
o Bariony są to hadrony zbudowane z trzech kwarków (qqq). Na przykład protony zbudowane są z dwóch kwarków górnych (up) i jednego dolnego (down) (uud), a neutrony składają się z jednego kwarku górnego i dwóch dolnych (udd).
o Mezony zbudowane są z jednego kwarku ( ) i jednego antykwarku ( ). Na przykład ujemnie naładowany pion ( ) jest ( ).

7. Neutrino, υ, fundamentalna cząstka elementarna, lepton o zerowym ładunku elektrycznym, spinie 1/2 (w jednostkach stałej Plancka). Jest fermionem. Neutrina istnieją w trzech rodzajach (zapachach): neutrina elektronowe (υe), neutrina mionowe (υµ), neutrina taonowe (υτ), każde z nich posiada niezerową odpowiednią liczbę leptonową.

Istnieją odpowiednie antycząstki (antyneutrino: elektronowe, mionowe i taonowe) różniące się od neutrina znakiem danej liczby leptonowej i tzw. skrętnością (rzutem kierunku spinu na kierunek pędu). Neutrina są lewo-, antyneutrina prawoskrętne, różnica w skrętności jest ścisła, jeśli masa spoczynkowa neutrina jest zerowa. Masa spoczynkowa każdego rodzaju neutrina jest bardzo mała lub zerowa (Kurie wykres). Ostatnie (1994) oszacowanie doświadczalne dla masy υe określa jej górny limit na 5 eV/c2, tj., co najmniej 100 000 razy mniej od masy elektronu. Dokładne wyznaczenie masy neutrina jest niesłychanie istotne dla opisu ewolucji wszechświata (wszechświata modele).

Neutrino oddziaływuje jedynie słabo (jak każdy obiekt o niezerowej energii grawitacyjnie). Neutrina są bardzo przenikliwe, obiekt wielkości Ziemi jest dla nich przezroczysty (kulę ziemską przenika strumień 1011 neutrin/cm2•s). Eksperymenty badające własności strumienia neutrin kosmicznych należą do najtrudniejszych przedsięwzięć współczesnej fizyki, mają istotne znaczenie poznawcze (badania podstawowe, np. testowanie modeli produkcji energii we wnętrzach gwiazd).

Istnienie neutrina przewidział w 1930 W. Pauli, tłumacząc kształt widma elektronów pochodzących z rozpadu beta, obecną nazwę nadał E. Fermi. W 1956 C. Cowan i F. Reines z Los Alamos dowiedli eksperymentalnie istnienia neutrina, w 1961-1962 L.M. Lederman, M. Schwartz i J. Steinberg wykazali, że neutrino mionowe jest różne od elektronowego.

8. Kwark to cząstka elementarna, fermion, posiada jący ładunek koloru (czyli podlegający oddziaływaniom silnym). Według obecnej wiedzy cząstki elementarne będące składnikami materii można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią kwarki, drugą grupą są leptony. Każda z tych grup zawiera po sześć cząstek oraz ich antycząstki. Istnieje więc sześć rodzajów kwarków oraz odpowiednio sześć rodzajów ich antycząstek - antykwarków. Za symbol kwarka przyjmuje się literę q. Wszystkie kwarki posiadają swoje antycząstki, nazywane antykwarkami, oznaczane symbolem . Według dzisiejszego stanu wiedzy kwarki są niepodzielne. Kwarki są cząstkami oddziałującymi silnie. Bardzo ważną cechą kwarków jest fakt, iż nie występują one jako cząstki swobodne, nie da się ich oderwać, odizolować. Inaczej mówimy, iż kwarki są cząstkami uwięzionymi i występują w układach złożonych, które nazywamy hadronami.

Źródła:
o Strony internetowe:
o www.wikipedia.pl
o Internetowa encyklopedia WIEM
o Podręcznik: Fizyka i astronomia wydawnictwa PWN
o „Fizyka w jednym paluszku” – Rolad Sokólski