Temel parçacık

Fizikte, temel parçacık veya temel parçacık, başka parçacıklardan oluşmayan bir parçacıktır.

Temel bir parçacık iki gruptan biri olabilir: bir fermiyon veya bir bozon. Fermiyonlar maddenin yapı taşlarıdır ve kütleleri vardır, bozonlar ise fermiyon etkileşimleri için kuvvet taşıyıcıları olarak davranırlar ve bazılarının kütlesi yoktur. Standart Model, parçacıkların nasıl davrandığını ve onları etkileyen kuvvetleri açıklamanın en çok kabul gören yoludur. Bu modele göre, temel parçacıklar ayrıca kuarklar, leptonlar ve gösterge bozonları 44084 olarak gruplandırılır ve Higgs bozonu gösterge olmayan bir bozon olarak özel bir statüye sahiptir.

Bir atomu oluşturan parçacıklardan sadece elektron temel bir parçacıktır. Proton ve nötronların her biri 3 kuarktan oluşur, bu da onları diğer parçacıklardan oluşan bileşik parçacıklar haline getirir. Kuarklar gluonlar tarafından birbirine bağlanır. Çekirdek, protonlar arasındaki elektrostatik itmeye karşı protonları ve nötronları bağlayan güçlü nükleer kuvvetten sorumlu bozon pion alanlarına sahiptir. Bu tür sanal pionlar, yine gluonlar tarafından bir arada tutulan kuark anti kuark çiftlerinden oluşur.

Bir temel parçacığı tanımlayan üç temel özellik vardır: 'kütle', 'yük' ve 'spin'. Her bir özelliğe bir sayı değeri atanır. Kütle ve yük için sayı sıfır olabilir. Örneğin, bir fotonun kütlesi sıfırdır ve bir nötrinonun yükü sıfırdır. Bu özellikler bir temel parçacık için her zaman aynı kalır.

Mass: Bir parçacık, hızını artırmak ya da ivmelendirmek için enerji gerektiriyorsa kütleye sahiptir. Sağdaki tablo her bir temel parçacığın kütlesini vermektedir. Değerler MeV/c² s (yani "c" kare üzerinden megaelektronvolt olarak telaffuz edilir), yani ışık hızının karesi üzerinden enerji birimi olarak verilmiştir. Bu, bize enerjinin kütle çarpı ışık hızının karesine eşit olduğunu söyleyen özel görelilikten gelir. Kütlesi olan tüm parçacıklar yerçekimi üretir. Foton gibi kütlesi olmayan parçacıklar da dahil olmak üzere tüm parçacıklar kütle çekiminden etkilenir (bkz. genel görelilik).
Elektrik yükü: Parçacıkların yükü pozitif, negatif ya da hiç olmayabilir. Eğer bir parçacık negatif yüke sahipse ve başka bir parçacık pozitif yüke sahipse, iki parçacık birbirini çeker. İki parçacığın her ikisi de negatif yüke sahipse veya her ikisi de pozitif yüke sahipse, iki parçacık birbirinden itilir. Kısa mesafelerde bu kuvvet, tüm parçacıkları birbirine çeken yerçekimi kuvvetinden çok daha güçlüdür. Bir elektronun yükü -1, bir protonun yükü +1'dir. Bir nötronun ortalama yükü 0'dır. Normal kuarklar ⅔ veya -⅓ yüke sahiptir.
Spin: Bir parçacığın açısal momentumu veya sabit dönüşü, spin sayısı olarak adlandırılan belirli bir değere sahiptir. Temel parçacıklar için spin bir veya ½'dir. Parçacıkların spin özelliği sadece açısal momentumun varlığını gösterir. Gerçekte parçacıklar dönmezler.

Kütle ve yük günlük hayatta gördüğümüz özelliklerdir, çünkü yerçekimi ve elektrik insanların gördüğü ve dokunduğu şeyleri etkiler. Ancak spin yalnızca atom altı parçacıkların dünyasını etkiler, bu nedenle doğrudan gözlemlenemez.

Temel parçacıkların Standart Modeli. 1 GeV/c2 = 1.783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.

Fermiyonlar

Fermiyonlar (adını bilim adamı Enrico Fermi'den alır) ½ spin sayısına sahiptir ve ya kuark ya da leptondur. 12 farklı fermiyon türü vardır (antimadde hariç). Her bir türe "aroma" adı verilir. Aromalar şunlardır:

Kuarklar: yukarı, aşağı, tılsım, garip, üst, alt. Kuarklar "kuşak" adı verilen üç çift halinde gelir. Birinci nesil (yukarı ve aşağı) en hafif, üçüncü nesil (üst ve alt) ise en ağır olanıdır. Her çiftin bir üyesi (yukarı, tılsım ve üst) ⅔ yüküne sahiptir. Diğer üye (aşağı, garip ve alt) -⅓ yüküne sahiptir.
Leptonlar: elektron, müon, tau, elektron nötrinosu, müon nötrinosu, tau nötrinosu. Nötrinoların yükü 0'dır, dolayısıyla nötr- önekine sahiptirler. Diğer leptonların yükü -1'dir. Her nötrino, kendisine karşılık gelen orijinal leptondan sonra adlandırılır: elektron, müon ve tauon.

12 fermiyondan altısının sonsuza dek varlığını sürdüreceği düşünülmektedir: yukarı ve aşağı kuarklar, elektron ve üç tür nötrino (sürekli tat değiştirirler). Diğer fermiyonlar bozunur. Yani, yaratıldıktan bir saniye sonra başka parçacıklara dönüşürler. Fermi-Dirac istatistikleri, fermiyon koleksiyonlarının nasıl davrandığını açıklayan bir teoridir. Esasen, aynı anda aynı yerde birden fazla fermiyona sahip olamazsınız.

Bozonlar

Adını Hintli fizikçi Satyendra Nath Bose'dan alan bozonların spini 1'dir. Çoğu bozon birden fazla parçacıktan oluşsa da, iki tür temel bozon vardır:

Gauge bozonları: gluonlar, W⁺ ve W -bozonları, Z 0bozonları ve fotonlar. Bu bozonlar 4 temel kuvvetten 3'ünü taşır ve spin sayıları 1'dir;

Gluon: Gluonlar kütlesiz ve yüksüz parçacıklardır ve güçlü kuvvet etkileşiminin taşıyıcılarıdır. Kuarklarla birlikte, proton ve nötronları içeren hadron adı verilen bileşik parçacıkları oluşturmak için bir araya gelirler.
W ve Z bozonları: W ve Z bozonları zayıf kuvveti taşıyan parçacıklardır. W bozonunun bir madde parçacığı (W⁺ ) ve bir antimadde parçacığı (W^- ) vardır, Z bozonu ise kendi anti-parçacığıdır. W bozonu beta bozunumunda üretilir, ancak neredeyse hemen bir nötrino ve bir elektrona dönüşür. W ve Z bozonlarının her ikisi de 1983 yılında keşfedilmiştir.
Foton: Fotonlar elektromanyetik kuvveti taşıyan kütlesiz ve yüksüz parçacıklardır. Fotonlar, hangi elektromanyetik radyasyon olduklarını belirleyen belirli bir frekansa sahip olabilirler. Diğer tüm kütlesiz parçacıklar gibi ışık hızında (300.000 km/s) hareket ederler.

Higgs bozonu: Fizikçiler, Higgs etkileşimi nedeniyle büyük kütleli parçacıkların kütleye sahip olduğuna (yani fotonlar gibi saf enerji demetleri olmadıklarına) inanmaktadır.

Foton ve gluonların yükü yoktur ve kesin olarak 0 kütleye sahip olan tek temel parçacıklardır. Foton bozunmayan tek bozondur. Bose-Einstein istatistiği, bozon koleksiyonlarının nasıl davrandığını açıklayan bir teoridir. Fermiyonların aksine, aynı uzayda aynı anda birden fazla bozonun bulunması mümkündür.

Standart Model yukarıda açıklanan tüm temel parçacıkları içerir. Tüm bu parçacıklar laboratuvarda gözlemlenmiştir.

Standart Model kütle çekiminden bahsetmez. Eğer kütleçekimi diğer üç temel kuvvet gibi çalışıyorsa, o zaman kütleçekimi graviton adı verilen varsayımsal bozon tarafından taşınır. Graviton henüz bulunamamıştır, bu nedenle yukarıdaki tabloya dahil edilmemiştir.

Keşfedilen ilk fermiyon ve hakkında en çok şey bildiğimiz fermiyon elektrondur. Keşfedilen ilk bozon ve hakkında en çok şey bildiğimiz de fotondur. Elektron, foton, elektromanyetizma ve elektromanyetik radyasyonun birlikte nasıl çalıştığını en doğru şekilde açıklayan teoriye kuantum elektrodinamiği denir.

Sorular ve Yanıtlar

S: Temel parçacıklar nedir?

C: Temel parçacıklar, başka parçacıklardan oluşmayan parçacıklardır.

S: Temel parçacıklar kaç gruba aittir?

C: Temel parçacıklar fermiyonlar veya bozonlar olmak üzere iki gruptan biri olabilir.

S: Standart Model nedir?

C: Standart Model, parçacıkların nasıl davrandığını ve onları etkileyen kuvvetleri açıklamak için en çok kabul gören yoldur.

S: Standart Model'e göre temel parçacıklar nasıl gruplandırılır?

C: Standart Model'e göre, temel parçacıklar kuarklar, leptonlar ve gösterge bozonları olarak gruplandırılır ve Higgs bozonu gösterge olmayan bir bozon olarak özel bir statüye sahiptir.

S: Protonlar ve nötronlar temel parçacıklar olarak kabul edilir mi?

C: Hayır, protonlar ve nötronlar temel parçacıklar olarak kabul edilmezler çünkü her biri 3 kuarktan oluşur ve bu da onları bileşik parçacıklar yapar - yani diğer küçük parçacıklardan oluşurlar.

S: Bir temel parçacığı tanımlayan özellikler nelerdir?

C: Bir temel parçacığı tanımlayan üç temel özellik vardır - kütle, yük ve spin - her özelliğe bir sayı değeri atanır.

S: Yerçekimi, fotonlar gibi kütlesi olmayanlar da dahil olmak üzere tüm parçacık türlerini etkiler mi?

C: Evet, fotonlar gibi kütlesi olmayanlar da dahil olmak üzere tüm parçacık türleri genel görelilik nedeniyle kütle çekimini deneyimler.