Elementarpartiklar – vad de är: kvarkar, leptoner och bosoner
Upptäck elementarpartiklar — kvarkar, leptoner och bosoner. Förklarar standardmodellen, massa, laddning och spinn enkelt och visuellt för nyfikna läsare.
Inom fysiken är en elementarpartikel eller fundamentalpartikel en partikel som inte består av andra partiklar.
En elementarpartikel kan tillhöra en av två huvudgrupper: en fermion eller en boson. Fermioner utgör materiens byggstenar och har ofta (men inte alltid) massa; bosoner fungerar som kraftbärare för fermionernas växelverkan och vissa av dem har ingen massa. Den teoretiska ram som bäst beskriver dessa partiklar och deras växelverkan är Standardmodellen. Enligt standardmodellen grupperas elementarpartiklarna i kvarkar, leptoner och gaugebosoner, medan Higgsbosonen har en särskild roll som en icke-gaugeboson kopplad till massgenerering via Higgsfältet.
Kvarkar, leptoner och bosoner
Kvarkar och leptoner är båda fermioner men skiljer sig i sina egenskaper och interaktioner. Kvarkar bär färgladdning (en egenskap kopplad till den starka växelverkan) och finns i sex “smaker” eller generationer: upp, ner, charm, märklig, topp och botten. Protoner och neutroner består av tre kvarkar vardera och är därför sammansatta partiklar. Kvarkar hålls samman av gluoner, som är bosoner för den starka kraften.
Leptoner inkluderar elektron, muon och tau samt deras neutriner. Av de partiklar som ingår i en atom är det bara elektronen som är en elementarpartikel; protoner och neutroner är sammansatta. Neutriner är neutrala, mycket lätta leptoner som kan passera genom materia nästan obemärkt och som kan växla mellan olika typer (flavour-oscillation).
Gaugebosonerna i standardmodellen förmedlar de fundamentala krafterna: fotonen för elektromagnetism, gluonerna för den starka kraften och W- och Z-bosonerna för den svaga växelverkan. Gravitationen är ännu inte införlivad i standardmodellen; en hypotetisk bärare skulle vara graviton (ej observerad experimentellt).
Sammansatta partiklar och kärnkraft
Protoner och neutroner består av kvarkar bundna av gluoner. Inuti atomkärnan finns dessutom en kortdistansattraktion som ofta beskrivs med ett effektivt pionfält; dessa virtuella pioner är i verkligheten kvark–antikvark‐par som medieras av gluoner och ger upphov till den starka kärnkraften som binder protoner och neutroner samman trots den elektromagnetiska repulsionen mellan positivt laddade protoner.
Egenskaper: massa, laddning och spinn
Det finns tre grundläggande egenskaper som vanligtvis används för att beskriva en elementarpartikel: massa, laddning och spinn. Varje egenskap kan representeras med ett numeriskt värde och vissa av dem kan vara noll (till exempel har en foton noll massa och en neutrino noll elektrisk laddning). Dessa egenskaper är karakteristiska för en given partikeltyp och förändras inte under normala omständigheter.
- Mass: En partikel har massa om det krävs energi för att ändra dess rörelsetillstånd, till exempel för att accelerera den. I tabellen till höger anges massan för varje elementarpartikel. Värdena anges i MeV/c2s (det vill säga uttalat megaelektronvolt över "c" i kvadrat), det vill säga i energienheter över ljusets hastighet i kvadrat. Detta kommer från den speciella relativitetsteorin, som säger att energi är lika med massa gånger kvadraten på ljusets hastighet. Alla partiklar med massa producerar gravitation. Alla partiklar påverkas av gravitationen, även partiklar utan massa som fotonen (se allmän relativitetsteori).
- Elektrisk laddning: Partiklar kan ha positiv eller negativ laddning, eller ingen. Om en partikel har en negativ laddning och en annan partikel har en positiv laddning dras de två partiklarna till varandra. Om båda partiklarna har en negativ laddning, eller båda har en positiv laddning, pressas de två partiklarna isär. På korta avstånd är denna kraft mycket starkare än gravitationskraften. En elektron har laddning -1. En proton har laddning +1. En neutron har en genomsnittlig laddning 0. Normala kvarkar har laddningen ⅔ eller -⅓.
- Spinn: En partikels vinkelmoment eller konstanta vridning har ett visst värde, som kallas spinntalet. Spinn för elementarpartiklar är ofta 1/2, 1 eller 0 (men kan också vara andra kvantvärden). Partiklarnas spinnegenskap betecknar förekomsten av kvantiserat vridmoment. I vardagsterman "spinnar" inte partiklarna runt sin egen axel likt en boll—spinn är en kvantmekanisk egenskap utan klassisk motsvarighet.
Massa och laddning är egenskaper som är lätta att koppla till vardagliga fenomen, eftersom gravitation och elektromagnetism påverkar objekt vi ser och rör vid. Däremot påverkar spinn främst subatomära egenskaper och kvantmekaniska statistiska lagar, till exempel Pauli-exklusionsprincipen som gäller för fermioner (två identiska fermioner kan inte befinna sig i samma kvanttillstånd), medan bosoner kan samlas i samma tillstånd och därigenom ge upphov till fenomen som superfluiditet och lasersammanställning.
Krafter och växelverkningar
Det finns fyra fundamentala krafter i naturen: gravitation, elektromagnetism, den starka växelverkan och den svaga växelverkan. I standardmodellen förmedlas tre av dem av bosoner: fotonen (elektromagnetism), gluoner (starka kraften) och W/Z-bosoner (svaga kraften). Gravitationen beskrivs av allmän relativitet men saknar ännu en fullständigt etablerad kvantmekanisk bärare i experimenten.
Antipartiklar, sönderfall och virtuella partiklar
Varje elementarpartikel har en motsvarande antipartikel med samma massa men motsatt elektrisk laddning (om laddningen är noll kan andra kvanttal skilja dem åt). Partiklar kan omvandlas genom växelverkningar och sönderfall — till exempel sönderfaller radioaktiva partiklar via svaga eller starka processer. I kvantfältteori förekommer också virtuella partiklar som kortlivade fluktuationer som bidrar till krafter mellan partiklar (t.ex. virtuella gluoner eller pioner som förmedlar bindningen i atomkärnan).
Mätning och enheter
Partiklars egenskaper mäts med partikeldetektorer i acceleratorkolliderare och andra experiment. Massor anges ofta i energienheten MeV/c2s (se ovan) eller i gigaelectronvolt per c-kvadrat (GeV/c2). Laddningar anges i enheter av elementarladdningen e, och spinn anges i enheter av ħ (reducerat Plancks konstant).
Sammantaget ger begreppet elementarpartikel en grundläggande bild av vilka byggstenar som finns i naturen och hur de växelverkar. Forskning inom partikelfysik fortsätter att söka svar på öppna frågor, till exempel om det finns fler partikeltyper än de i standardmodellen, hur gravitation passar in i en kvantteori, och vad som utgör mörk materia i universum.
Standardmodellen för elementarpartiklar. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.
Fermioner
Fermioner (uppkallade efter forskaren Enrico Fermi) har spinntalet ½ och är antingen kvarkar eller leptoner. Det finns 12 olika typer av fermioner (utan att inkludera antimateria). Varje typ kallas för en "smak". De olika smakerna är:
- Kvarkar: uppåt, nedåt, charm, konstigt, topp, botten. Kvarkar finns i tre par, som kallas "generationer". Den första generationen (upp och ner) är den lättaste och den tredje (topp och botten) är den tyngsta. En medlem av varje par (upp, charm och topp) har en laddning på ⅔. Den andra medlemmen (ned, strange och nedre) har laddning -⅓.
- Leptoner: elektron, muon, tau, elektronneutrino, muonneutrino, tau-neutrino. Neutrinonerna har laddning 0, därav prefixet neutr-. De andra leptonerna har laddning -1. Varje neutrino har fått sitt namn efter motsvarande ursprungliga lepton: elektron, muon och tauon.
Sex av de tolv fermionerna tros vara eviga: upp- och nedkvarkar, elektronen och de tre sorterna av neutriner (som ständigt byter smak). De andra fermionerna sönderfaller. Det vill säga att de bryts ner till andra partiklar en bråkdel av en sekund efter att de skapats. Fermi-Dirac-statistik är en teori som beskriver hur samlingar av fermioner beter sig. I huvudsak kan man inte ha mer än en fermion på samma plats samtidigt.
Bosoner
Bosoner, som är uppkallade efter den indiske fysikern Satyendra Nath Bose, har spinn 1. Även om de flesta bosoner består av mer än en partikel finns det två typer av elementära bosoner:
- Gaugebosoner: gluoner, W+-och W-bosoner, Z0-bosoner och fotoner. Dessa bosoner är bärare av tre av de fyra grundläggande krafterna och har spinntalet 1;
- Gluon: Gluoner: Gluoner är masslösa och laddningslösa partiklar och de är bärare av den starka växelverkan. Tillsammans med kvarkar bildar de sammansatta partiklar som kallas hadroner, som omfattar protoner och neutroner.
- W- och Z-bosoner: W- och Z-bosoner är partiklar som bär den svaga kraften. W-bosonen har en materiepartikel (W+) och en antimateriepartikel (W-), medan Z-bosonen är sin egen antipartikel. W-bosonen produceras vid betasönderfall, men förvandlas nästan omedelbart till en neutrino och en elektron. W- och Z-bosonerna upptäcktes båda 1983.
- Foton: Fotoner är masslösa och laddningslösa partiklar som bär den elektromagnetiska kraften. Fotoner kan ha en viss frekvens som bestämmer vilken elektromagnetisk strålning de är. Liksom alla andra masslösa partiklar färdas de med ljusets hastighet (300 000 km/s).
- Higgsboson: Fysiker tror att massiva partiklar har massa (dvs. de är inte rena energibuntar som fotoner) på grund av Higgs växelverkan.
Fotonen och gluonerna har ingen laddning och är de enda elementarpartiklarna som med säkerhet har en massa på 0. Fotonen är den enda boson som inte sönderfaller. Bose-Einstein-statistik är en teori som beskriver hur samlingar av bosoner beter sig. Till skillnad från fermioner är det möjligt att ha mer än en boson i samma utrymme samtidigt.
Standardmodellen omfattar alla de elementarpartiklar som beskrivs ovan. Alla dessa partiklar har observerats i laboratoriet.
Standardmodellen talar inte om gravitation. Om gravitationen fungerar på samma sätt som de tre andra grundläggande krafterna, så bärs gravitationen av en hypotetisk boson som kallas graviton. Gravitonen har ännu inte hittats, så den finns inte med i tabellen ovan.
Den första fermionen som upptäcktes, och den som vi vet mest om, är elektronen. Den första boson som upptäcktes, och även den som vi vet mest om, är fotonen. Den teori som bäst förklarar hur elektronen, fotonen, elektromagnetismen och den elektromagnetiska strålningen fungerar tillsammans kallas kvantelektrodynamik.
Frågor och svar
F: Vad är elementarpartiklar?
S: Elementarpartiklar är partiklar som inte består av andra partiklar.
F: Hur många grupper tillhör elementarpartiklar?
S: Elementarpartiklar kan tillhöra en av två grupper, fermioner eller bosoner.
Fråga: Vad är standardmodellen?
S: Standardmodellen är det mest accepterade sättet att förklara hur partiklar beter sig och vilka krafter som påverkar dem.
F: Hur grupperas elementarpartiklarna enligt standardmodellen?
S: Enligt standardmodellen delas elementarpartiklarna in i kvarkar, leptoner och mätbosoner, där Higgsbosonen har en särskild status som en boson som inte är en mätboson.
F: Är protoner och neutroner elementarpartiklar?
S: Nej, protoner och neutroner betraktas inte som elementarpartiklar eftersom de var och en består av tre kvarkar, vilket gör dem till sammansatta partiklar - vilket innebär att de består av andra mindre partiklar.
F: Vilka egenskaper beskriver en elementarpartikel?
S: Det finns tre grundläggande egenskaper som beskriver en elementarpartikel - massa, laddning och spinn - varje egenskap har ett siffervärde.
Fråga: Påverkar gravitationen alla typer av partiklar, även de som saknar massa, t.ex. fotoner?
Svar: Ja, alla typer av partiklar, även de utan massa som fotoner, upplever gravitation på grund av den allmänna relativitetsteorin.
Sök