08. A részecskefizika Standard Modellje

A fizika négyféle kölcsönhatást ismer. Az elektromágnes kölcsönhatást, az atommagokat összetartó és a protonokat stabillá tevő erős kölcsönhatást, illetve a bomlásért és a neutrínókért felelős gyenge kölcsönhatást. Ezeket a részecskefizika Standard Modellje írja le.

A gravitáció a negyedik kölcsönhatás, de annak a magyarázata semmiféle módon nem illeszthető a másik három kölcsönhatáshoz.

Elektromágneses kölcsönhatás

Ahogyan korábban leírtam az elektromágneses kölcsönhatást a fotonok közvetítik. A kvantumelektrodinamika (QED) elmélet írja le az elektromágneses kölcsönhatást. ez az elmélet azt mondja, hogy a töltések nem közvetlenül hatnak egymásra, nem mezőket hoznak létre, hanem a kölcsönhatást fotonok közvetítik.

Erős kölcsönhatás

Ez a kölcsönhatás tartja össze az atommagokat és teszi stabillá a protonokat.A protonok és neutronok barion típusú részecskék és három-három kvarkból állnak. Hasonló további részecskék a pion, kaon, és társaik, amelyeket mezonoknak hívunk és két-két kvarkból állnak.

Kísérletekkel igazolták, hogy a kvarkokat összetartó részecskék a gluonok (glue - ragasztó).

A kvarkok, a gluonok és a közöttük ható kölcsönhatásokat leíró elmélet alapja a színtöltés.

Megjegyzés: Kedves olvasó, amikor a hihetetlen kis méretű és elképzelhetetlen tulajdonságú részecskékre azt mondjuk, hogy színes, akkor tulajdonképpen csak adtunk egy nevet valaminek, hogy tudjunk róla beszélni.

A kvarkoknak háromféle színük lehet: piros, kék, zöld és annak az antiszínei (ciánkék, sárga, magenta). A három szín és antiszín keveréke a semleges fehéret adja meg. Hasonlóan a szín és antiszín kombinációja is fehéret ad ki.

A közönséges megfigyelhető részecskék mind színsemlegesek. A színsemleges protonok és neutronok között úgy hat, mint az semleges atomok között a Van-der-Waals erő. Csak vonzó.

Mivel a 6 féle kvarkok színtöltésekkel is rendelkeznek, továbbá a típusuk is különböző, ezért rengeteg féle hadron részecske rakható össze belőlük.

A kvarkokból összerakott részecskék között érvényes a kvarkbezárás. Ha mezonból vagy barionból el akarunk távolítani egy kvarkot, akkor annyi energiát kell befektetni, hogy ennek hatására új kvark-antikvark párok jönnek létre és a kiszabadítani szándékozott kvark rögtön egy mezonba zárva jelenik meg.

Úgy tűnik, hogy magányosan repülő kvarkokat nem tudunk észlelni, csak színsemleges részecskék repülhetnek szabadon.

A helyzetet bonyolítja, hogy a kvantum színdinamika elmélete szerint extrém nagy energián a kölcsönhatás erőssége lecsökken és a kvarkok kevésbé hatnak egymásra. ez azt jelenti, hogy extrém nagy energiáú ütközések esetén kvarkok és gluonok szabadulhatnak ki, de mire a detektorokba érnek, addigra már színsemleges hadronokká állnak össze.

Gyenge kölcsönhatás

A gyenge kölcsönhatást elsősorban a radioaktív ß-bomlásban lehet vizsgálni. Ebben a folyamatban a protonon és az elektronon kívül egy neutrínó is keletkezik. A neutrínó semleges, ezért elektromágneses és erős kölcsönhatásban sem vesz részt, csak a gyenge kölcsönhatásban.

A gyenge kölcsönhatást a W és Z bozonok közvetítik. Minden anyagi részecske részt vesz a gyenge kölcsönhatásban, a kvarkok, elektronok, neutrínó is. Ehhez a kölcsönhatáshoz is tartozik egy töltés, amelyet gyenge hipertöltésnek hívnak. Ennek kétféle alapértéke van és annak ellentettje is (Az elektronnak egyféle, a színtöltésnek háromféle).

A gyenge kölcsönhatás vizsgálata során kiderült, hogy a neutronokat és protonokat alkotó u és d kvarkok egy családba tartoznak az elektronnal és neutrínóval. A második családban a c és az s kvarkhoz tartozik a müon és a müon neutrínó, illetve a harmadik családban a t és b kvarkhoz a τ (tau) lepton és τ-neutrínó.

Standard Modell

A világegyetemben anyagi és közvetítő típusú részecskék vannak. Az anyagi részecskék mind fermionok, 1/2 spinnel.

A közvetítő részecskék bozonok egész spinnel.

A Standard Modell kölcsönhatásai és az elemi részecskék
A Standard Modell kölcsönhatásai és az elemi részecskék

Standard Modell részecskéi és tulajdonságaik
Részecske Tömeg
(MeV / c2)
Spin Töltés
kvarkok
u-kvark 2,2 MeV / c2 1/2 ±2/3
d-kvark 4,6 MeV / c2 1/2 ±2/3
c-kvark 1280 MeV / c2 1/2 ±2/3
s-kvark 96 MeV / c2 1/2 ±2/3
t-kvark 173 MeV / c2 1/2 ±2/3
b-kvark 4,2 MeV / c2 1/2 ±2/3
leptonok
elektron 511 keV / c2 1/2 ±1
μ - mezon 106 MeV / c2 1/2 ±1
τ- mezon 1,8 GeV / c2 1/2 ±1
νe (neutrínó) 0 1/2 0
νμ (neutrínó) 0 1/2 0
ντ (neutrínó) 0 1/2 0
foton 0 1 0
Bozonok
W-bozon 80 GeV / c2 1 0
Z-bozon 91 GeV / c2 1 ±1
glüon 0 1 0
Higgs-bozon 125 GeV / c2 0 0

A fenti táblázatban van egy részecske, amiről eddig nem esett szó. Ez a Higgs-bozon.A Higgs mező egy kvantum mező (legyen az bármi is) és kitölti a vákumot. A Standard Modell szerint a kvarkok és leptonok a Higgs-bozonnal való kölcsönhatásban kapnak tömeget. A Higgs-bozon ennek a mezőnek a kvantuma hasonlóan, mint a foton az elektromágneses mezőé.