Elementární částice

Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox Fyzikální částice Elementární částice (také fundamentální částice) jsou ve fyzice částice, u kterých není známá vnitřní struktura, a proto jsou považovány za základní stavební kameny hmoty a pole. Podle současné a experimentálně ověřené teorie, známé jako Standardní model částicové fyziky, se elementární částice dělí do dvou hlavních skupin: fermiony a bosony.

Fermiony jsou částice tvořící hmotu a dělí se dále na kvarky a leptony. Bosony jsou naopak částice, které zprostředkovávají interakce (síly) mezi fermiony, a patří mezi ně také Higgsův boson, který dává ostatním částicím hmotnost.

Myšlenka na existenci nedělitelných částic hmoty sahá až do starověkého Řecka k filozofům jako Démokritos, ale moderní éra fyziky elementárních částic začala objevem elektronu na konci 19. století a vyvrcholila zkompletováním Standardního modelu po objevu Higgsova bosonu v roce 2012.

📜 Historie a vývoj

Koncept elementárních, dále nedělitelných částic, je starý tisíce let a jeho původ lze vysledovat až k antickým řeckým filozofům. Démokritos a jeho učitel Leukippos v 5. století př. n. l. přišli s myšlenkou, že veškerá hmota se skládá z neviditelných a nezničitelných částeček, které nazvali "atomy" (z řeckého "atomos", což znamená nedělitelný). Tato myšlenka byla však po staletí spíše filozofickým konceptem.

Vědecká revoluce přišla až na počátku 19. století s prací Johna Daltona, který oživil atomovou teorii pro vysvětlení chemických reakcí. Skutečný průlom však nastal až na přelomu 19. a 20. století.

1897: Joseph John Thomson objevuje elektron, první subatomární částici, a vyvrací tak představu o nedělitelnosti atomu.
1911: Ernest Rutherford na základě svých experimentů s rozptylem alfa částic navrhuje model atomu s malým, hustým a kladně nabitým jádrem.
1919: Rutherford objevuje proton jako součást atomového jádra.
1932: James Chadwick objevuje neutron, neutrální částici v jádře, a kompletuje tak základní model atomu. Ve stejném roce Carl Anderson objevuje pozitron, antičástici elektronu, což potvrzuje teoretické předpovědi Paula Diraca.
30. a 40. léta: Pro vysvětlení beta rozpadu je postulována existence neutrina a v kosmickém záření je objeven mion.
50. a 60. léta: S rozvojem urychlovačů částic je objeveno velké množství nových částic, tzv. hadronů. Tento "částicový zvěřinec" vedl k potřebě hlubší systematiky.
1964: Murray Gell-Mann a George Zweig nezávisle na sobě navrhují kvarkový model, podle kterého jsou hadrony (včetně protonů a neutronů) složeny z ještě menších částic – kvarků.
70. léta: Formulace Standardního modelu, který sjednocuje elektromagnetickou, slabou a silnou interakci a systematizuje všechny známé elementární částice.
2012: V experimentech na urychlovači LHC v CERNu je potvrzena existence Higgsova bosonu, poslední chybějící částice Standardního modelu.

🔬 Standardní model

Standardní model částicové fyziky je teoretický rámec, který popisuje všechny známé elementární částice a tři ze čtyř základních interakcí ve vesmíru. Nezahrnuje gravitaci. Model byl vyvinut v druhé polovině 20. století a jeho předpovědi byly s vysokou přesností experimentálně ověřeny. Všechny částice Standardního modelu byly experimentálně pozorovány, včetně poslední, Higgsova bosonu, objeveného v roce 2012.

Částice ve Standardním modelu se dělí do dvou základních skupin: 1. Fermiony: Jsou to částice, které tvoří hmotu. Řídí se Pauliho vylučovacím principem, což znamená, že dva identické fermiony nemohou být ve stejném kvantovém stavu. Mají poločíselný spin. Dělí se na kvarky a leptony. 2. Bosony: Jsou to částice, které zprostředkovávají síly neboli interakce. Nemají problém být ve stejném stavu, mají celočíselný spin. Patří sem kalibrační bosony a Higgsův boson.

Standardní model je považován za jednu z nejúspěšnějších vědeckých teorií, ale není kompletní. Neumí vysvětlit například existenci temné hmoty a temné energie, nezahrnuje gravitaci a má řadu parametrů, které je nutné zadat z experimentu.

👨‍👩‍👧‍👦 Dělení částic

Fermiony (částice hmoty)

Fermiony jsou základními stavebními kameny hmoty. Existuje 12 základních fermionů, které jsou uspořádány do tří generací. Každá vyšší generace je těžší než předchozí, ale jinak má podobné vlastnosti. Běžná hmota se skládá pouze z částic první generace.

Kvarky Kvarky jsou jediné elementární částice, které interagují prostřednictvím všech čtyř základních sil. Nikdy se nevyskytují samostatně, ale jsou vždy vázány ve skupinách a tvoří tak složené částice zvané hadrony (např. protony a neutrony). Existuje šest "vůní" kvarků:

Vlastnosti kvarků
Generace	Název	Symbol	Náboj (e)	Přibližná hmotnost (MeV/c²)
I	Up (horní)	u	+2/3	2.2
I	Down (dolní)	d	-1/3	4.7
II	Charm (půvabný)	c	+2/3	1,270
II	Strange (podivný)	s	-1/3	95
III	Top (vrchní)	t	+2/3	173,100
III	Bottom (spodní)	b	-1/3	4,180

Leptony Leptony neinteragují silnou jadernou silou. Do této skupiny patří elektron, mion, tauon a jejich odpovídající neutrina. Neutrina mají velmi malou hmotnost a interagují pouze slabou a gravitační silou, což je činí velmi obtížně detekovatelnými.

Vlastnosti leptonů
Generace	Název	Symbol	Náboj (e)	Přibližná hmotnost (MeV/c²)
I	Elektron	e⁻	-1	0.511
I	Elektronové neutrino	νₑ	0	< 0.0000022
II	Mion	μ⁻	-1	105.7
II	Mionové neutrino	ν_μ	0	< 0.17
III	Tauon	τ⁻	-1	1,776.8
III	Tauonové neutrino	ν_τ	0	< 18.2

Bosony (částice interakcí)

Bosony jsou nosiči sil a zprostředkovávají interakce mezi fermiony.

Kalibrační bosony Tyto bosony jsou nosiči tří základních interakcí Standardního modelu.

Foton (γ): Zprostředkovává elektromagnetickou interakci. Nemá elektrický náboj ani klidovou hmotnost.
Bosony W a Z (W⁺, W⁻, Z⁰): Zprostředkovávají slabou jadernou interakci, která je zodpovědná například za některé typy radioaktivního rozpadu. Na rozdíl od fotonu jsou velmi těžké.
Gluon (g): Zprostředkovává silnou jadernou interakci, která drží kvarky pohromadě v protonech a neutronech a následně protony a neutrony v atomovém jádře. Je jich 8 typů a také nemají klidovou hmotnost.

Skalární boson

Higgsův boson (H⁰): Je to fundamentální částice spojená s Higgsovým polem. Interakcí s tímto polem získávají ostatní elementární částice (jako bosony W a Z, kvarky a nabité leptony) svoji hmotnost. Byl objeven jako poslední částice Standardního modelu.

💪 Základní interakce

Ve vesmíru existují čtyři základní síly neboli interakce, které řídí chování veškeré hmoty. Standardní model popisuje tři z nich. 1. Silná interakce: Je nejsilnější ze všech interakcí, ale má velmi krátký dosah, omezený na velikost atomového jádra. Drží kvarky pohromadě uvnitř protonů a neutronů a také váže protony a neutrony k sobě v jádrech. Její nosiči jsou gluony. 2. Elektromagnetická interakce: Působí na všechny částice s elektrickým nábojem. Je zodpovědná za jevy jako světlo, elektřina a magnetismus. Drží elektrony v obalech atomů a umožňuje tak vznik molekul. Jejím nosičem je foton. 3. Slabá interakce: Má ještě kratší dosah než silná interakce a je mnohem slabší. Je zodpovědná za některé formy radioaktivního rozpadu jader. Umožňuje přeměnu jednoho typu kvarku na jiný. Jejími nosiči jsou těžké bosony W a Z. 4. Gravitace: Je nejslabší ze všech sil, ale má nekonečný dosah. Působí na všechny částice s hmotností a energií. Ačkoliv je na úrovni částic zanedbatelná, na velkých škálách (planety, hvězdy, galaxie) je dominantní. Standardní model ji nepokrývá. Předpokládá se, že jejím nosičem je dosud neobjevený graviton.

🔮 Hypotetické částice a budoucnost

Ačkoliv je Standardní model neuvěřitelně úspěšný, fyzikové vědí, že není konečnou teorií. Existuje několik jevů, které nedokáže vysvětlit, což vede k teoretickým návrhům nových částic a teorií "za Standardním modelem".

Graviton: Hypotetická částice, která by měla zprostředkovávat gravitační sílu. Její existence je předpovězena kvantovými teoriemi gravitace, ale dosud nebyla experimentálně potvrzena.
Supersymetrie (SUSY): Teoretický koncept, který předpokládá, že každá částice Standardního modelu má svého "superpartnera" s odlišným spinem. Například fermion (třeba elektron) by měl mít bosonového partnera (s-elektron) a boson (třeba foton) by měl mít fermionového partnera (fotino). Supersymetrie by mohla vyřešit některé teoretické problémy Standardního modelu a poskytnout kandidáta na temnou hmotu.
Částice temné hmoty: Astronomická pozorování naznačují, že asi 27 % vesmíru tvoří temná hmota, která neinteraguje se světlem, ale projevuje se gravitačně. Její podstata je neznámá a mohla by být tvořena dosud neobjevenými částicemi, jako jsou WIMPy (Weakly Interacting Massive Particles) nebo axiony.
Teorie strun: Ambiciózní teoretický rámec, který se snaží sjednotit všechny základní síly, včetně gravitace. V této teorii nejsou základními objekty bodové částice, ale jednorozměrné "struny" vibrující v časoprostoru s více dimenzemi. Různé vibrační módy těchto strun by odpovídaly různým elementárním částicím.

Současný i budoucí výzkum na urychlovačích, jako je Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu, se zaměřuje na přesné měření vlastností známých částic (zejména Higgsova bosonu) a na hledání důkazů nové fyziky, která by mohla potvrdit některou z těchto hypotéz.

💡 Pro laiky: Vysvětlení jednoduše

Představte si, že stavíte dům z Lega. Máte různé druhy kostiček – malé, velké, ploché, vysoké. To jsou naše fermiony, základní stavební kameny vší hmoty kolem nás. Všechno, čeho se můžete dotknout – stůl, voda, vzduch, vy sami – je postaveno z těchto "kostiček", konkrétně z kvarků (které tvoří protony a neutrony v jádrech atomů) a leptonů (jako jsou elektrony obíhající jádra).

Teď si představte, že tyto kostičky potřebujete nějak spojit. Samy od sebe by nedržely pohromadě. Potřebujete nějaké "lepidlo" nebo "spojky". Těmto spojkám říkáme bosony. Jsou to nosiči sil:

Silná interakce (nosič: gluon) je jako super-silné lepidlo, které drží kvarky slepené k sobě v protonech a neutronech. Je neuvěřitelně silné, ale funguje jen na miniaturní vzdálenosti uvnitř atomových jader.
Elektromagnetická síla (nosič: foton) je jako magnetická síla mezi kostičkami. Drží elektrony u atomového jádra a umožňuje atomům, aby se spojovaly do molekul. Díky ní funguje elektřina a vidíme světlo (světlo je proud fotonů).
Slabá interakce (nosič: bosony W a Z) je jako speciální typ spojky, která umí jednu kostičku proměnit na jinou. Je zodpovědná za některé druhy radioaktivity.

A nakonec je tu jedna velmi zvláštní "součástka" – Higgsův boson. Představte si, že celý svět je zaplněný neviditelným sirupem, kterému říkáme Higgsovo pole. Když se různé kostičky (částice) tímto sirupem pohybují, některé jím projdou snadno (jako malá kulička), zatímco jiné se v něm "brodí" a narážejí na odpor (jako velká deska). Tento odpor, který částice cítí při pohybu Higgsovým polem, je to, co vnímáme jako jejich hmotnost. Částice, které polem prosviští bez povšimnutí (jako foton), nemají žádnou hmotnost. Ty, které s ním silně interagují, jsou těžké. Higgsův boson je pak vlnka, excitace v tomto poli – jako když do sirupu hodíte kamínek.

Stručně řečeno: Vesmír je obrovská stavebnice z několika málo druhů kostiček (fermionů), které jsou spojeny různými druhy lepidla (bosony), a jejich hmotnost závisí na tom, jak moc se "lepí" na neviditelné pole, které vyplňuje celý prostor.

Zdroje

NZIP Aldebaran - Standardní model AstroNuklFyzika WikiSkripta Vesmír.cz Brána do vesmíru Innovation News Network ScienceDaily Glass Almanac CMS at CERN