Standardní model částicové fyziky

Elementární částice (rozdělení)

Kvarky

Podle kvantové teorie pole vypracované v sedmdesátých letech (Standardní model) se veškerá hmota ve vesmíru skládá ze šesti druhů kvarků a šesti druhů leptonů, mezi nimiž mohou nastávat čtyři druhy základních interakcí (silná, slabá, elektromagnetická a gravitační). Tyto interakce jsou zprostředkovány tzv. výměnnými (neboli intermediálními čili zprostředkujícími) částicemi příslušného pole.

Fermiony a bosony

Podle hodnoty spinu dělíme částice na fermiony (poločíselný spin, jejich chování lze popsat Fermiho-Diracovou statistikou a chovají se podle Pauliho vylučovacího principu, který říká, že nemohou existovat dva fermiony s úplně totožnou energetickou charakteristikou) a bosony (celočíselný spin, popsány Einstein-Boseovou statistikou). Podle tohoto dělení kvarky a leptony (tj. základní stavební částice látkové formy hmoty) patří mezi fermiony, zatímco intermediální částice fyzikálních polí patří mezi bosony; uvedeme několik příkladů:

• fermiony (poločíselný spin):
  • leptony - např. elektrony, pozitrony, neutrina,
  • kvarky - skládají se z nich těžší částice např. nukleony,
  • některé složené částice, např. baryony,
• bosony (celočíselný spin):
  • intermediální částice - fotony, gluony atd.,
  • některé složené částice, např. mezony.

Základní fyzikální interakce

Tradičně fyzika uvažuje o čtyřech základních typech interakcí:

• Elektromagnetická síla
• Gravitace
• Slabá interakce
• Silná interakce

Tyto interakce dávají vzniknout následujícím polím:

Druh pole	Zdroj pole	Dosah	Kvantum
Elektromagnetické pole	elektrický náboj	neomezený	foton
Gravitační pole	hmotnost	neomezený	graviton (hypotetická částice)
Silné jaderné pole	barva	10-15 m	gluony
Slabé jaderné pole	vůně	10-18 m	intermediární bosony (W+, W-, Z0)

Standardní model je založen na objevech z 60. let, které ukazují, že je možno zkombinovat elektromagnetickou sílu a slabou interakci do jedné tzv. elektroslabé interakce.

Gravitace

Z řeckého gravis – těžký, je to obecná vlastnost všech těles.

Gravitační interakce, na rozdíl od ostatních interakcí, působí bez výjimky na všechny částice. Gravitační interakce je vždy přitažlivá a má nekonečný dosah, tzn. její účinky se nedají vyrušit. Tudíž je rozhodující silou mezi velmi vzdálenými objekty. Také ale platí, že ze všech interakcí je právě interakce gravitační tou nejslabší. Gravitační interakce působící mezi dvěma tělesy jsou tedy vždy vzájemné, což vyplývá i z třetího Newtonova zákona. Proto můžeme říci, že gravitace je obecnou vlastností všech hmotných objektů. Vzájemné silové působení dvou těles ale nedokážeme vždy pozorovat, projevuje se jen pohybový účinek síly mnohonásobně hmotnějšího tělesa na druhém, a to i přesto, že vzájemná přitažlivá síla těchto těles je shodná.

Gravitace je spojována s mnoha tématy, od struktury galaxií, vzniku černých děr, velkým třeskem, až po v praxi naprosto samozřejmé jevy jako je padání předmětů, nemožnost unést některá těžká tělesa apod.

Newtonův gravitační zákon – je nejstarší fyzikální teorie popisující gravitační interakce, je součástí klasické fyziky, tudíž se využívá především pro popis gravitačních interakcí slabých gravitačních polí a částic o nízkých rychlostech ve srovnání s rychlostí světla.

Obecná teorie relativity – popisuje gravitaci jako zakřivení časoprostoru způsobené vlastnostmi prostoru a času. Předpokládá existenci gravitačních vln (šířící se změny gravitačního pole), které se pohybují rychlostí světla. Využívá se pro silná pole a pro rychlosti blížící se rychlosti světla. Do budoucna se uvažuje o teorii kvantové gravitace, která by měla být nástupcem obecné teorie relativity a měla by propojit kvantovou fyziku, elektrodynamiku, jadernou a částicovou fyziku s gravitací (teorií o prostoru a času). Hypotetickou částicí teorie kvantové gravitace je graviton.

Elektromagnetická síla

Jedná se o nejlépe prostudovanou silovou interakci, se kterou se běžně setkáváme například v televizorech, počítačích, radiích, při přenosu světla nebo dokonce v nás samotných v podobě nervových vzruchů. Je zodpovědná za tvar a objem těles, neboť se stará o soudržnost atomů, jejich velikost, strukturu látek a tvorbu chemických vazeb. Její působení můžeme pozorovat jako projev odporových nebo třecích sil.

Elektromagnetická síla je dalekodosahová a se vzdáleností klesá její síla kvadraticky. Působí pouze na nabité částice. Může být buď odpudivá nebo přitažlivá. Pokud má jedna částice náboj kladný a druhá záporný, vznikne síla přitažlivá, pokud mají obě částice náboj shodný, bude mezi nimi síla odpudivá. Částice ale mohou mít i neutrální elektrický náboj, potom mezi nimi elektromagnetická síla působit nebude.

O elektromagnetické síle často uvažujeme, jako kdyby byla složena ze dvou polí- elektrického a magnetického. Mezi těmito poli však existuje úzký vztah, nelze je zkoumat zcela odděleně a proto např. u elektromagnetického vlnění hovoříme o elektrické a magnetické složce, které jsou vzájemně kolmé.

Intermediálními částicemi elektromagnetické síly jsou fotony. I když elektromagnetická síla působí mezi nabitými částicemi, fotony samy o sobě žádný náboj nenesou.

Elektromagnetická interakce má svou teorii v klasické i kvantové fyzice:

V klasické fyzice elektromagnetické interakce popisuje např.:

• Coulombův zákon (síly mezi dvěma náboji),
• Gaussův zákon elektrostatiky (tok intenzity elektrického pole),
• Lorentzova síla (náboj pohybující se v elektrickém a magnetickém poli),
• Ampérův zákon (elektrický proud vytváří magnetické pole),
• Biotův-Savartův zákon (elektromagnetická indukce),
• Maxwellovy rovnice (elektromagnetické vlnění).

Elektromagnetické síly v kvantovém světě popisuje kvantová elektrodynamika. Nejdůležitějším odtud pramenícím poznatkem (zejména pro biofyziku) je zjištění, že naprostá většina pozorovaných jevů (např. chemické vazby, interakce záření s hmotou atd.) je důsledkem vzájemných interakcí mezi fotony a elektrony. Tyto foton-elektronové interakce dobře znázorňují Feynmanovy diagramy.

Slabá interakce

β rozpad neutronu

Slabých interakcí se účastní leptony a hadrony, projevují se v rozpadech neutronu či mionu. Mají velmi malý dosah 10^-17 m a jejich intermediálními částicemi jsou bosony W⁺, W^-, Z⁰.

Při nízkých energiích (do 20 GeV) jsou dosti slabé, proto jsou označovány jako slabé interakce. Při vyšších energiích jsou přibližně stejně silné jako elektromagnetické interakce.

Podílí se na β rozpadu neutronu, kdy za účasti bosonu W- dojde ke vzniku protonu, elektronu a elektronového antineutrina.

Slabou interakci společně s elektromagnetickou silou popisuje elektroslabá teorie.

Silná interakce

Působí mezi kvarky, které tvoří hadrony. Její náboj se označuje jako barevný náboj. Má pouze malý dosah, řádově 10^-15 m, a je nejsilnější ze základních interakcí. Zprostředkujícími částicemi této interakce jsou gluony.

Poutá k sobě nukleony (zbytková silná interakce) a je zodpovědná za velmi rychlý rozpad hadronů.

Kvantová chromodynamika (QCD) popisuje chování částic při silných interakcích.

Intermediální částice

• gluon
• foton
• bosony W⁺, W^- a Z⁰
• graviton

Základní částice hmoty

Elementární částice

Terminologický problém: Pojem „elementárních (základních) částic“ jako nejjednodušších stavebních prvků hmoty je závislý na stavu poznání v dané době. Postupně se tento termín používal pro hadrony (protony, neutrony…), leptony a kvarky (v rámci tzv. Standardního modelu) a s pokračujícím poznáním se tento termín může přesunout k dalším částicím, tak jak se nám budou zdát „elementárními“. Proto je lépe se pojmu „elementárních částic“ vyhnout.

Leptony a kvarky

1. Leptony (neinteragují se silnou jadernou silou; elektrony a elektronová neutrina, miony a mionová neutrina, tauony a tauonová neutrina).
2. Kvarky (vůně: up, down, charm, strangeness, bottom, top; barva: červená, zelená, modrá; náboj -1/3 nebo +2/3).

Fundamentální částice mají spin ±1/2 a ke každé existuje antičástice (stejná hmotnost, opačná točivost spinu, opačný magnetický moment, náboj i barva).

Kvarky se mohou skládat v hadrony (podmínky: celočíselný náboj a bílá barva), mesony (kvark a antikvark; celočíselný spin) a baryony (3 kvarky, neceločíselný spin; proton a neutron).

Složené částice

Hadrony

• mezony
• baryony:
  • nukleony
  • hyperony

Částice alfa

V částicové fyzice jsou za alfa částice považována jádra ⁴He. Částice se skládá z 2 neutronů a 2 protonů, celkový náboj této částice je +2e, značíme ji α nebo He²⁺. Alfa částice má nenulovou klidovou hmotnost, tudíž se pohybuje rychlostí vždy menší než rychlost světla. Proud částic α označujeme jako alfa záření, vzniká při alfa rozpadu.

Antičástice

Antičástice je ve své podstatě „opakem” částice. Antičástice a k ní příslušná částice mají stejnou hmotnost, spin a střední dobu života, liší se od sebe elektrickým nábojem, magnetickým momentem, baryonovým a leptonovým číslem, izospinem a podivností. Antičástice se řídí stejnými fyzikálními zákony jako částice.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Antičástice.

Kvazičástice

Kvazičástice jsou koncept především fyziky kondenzovaných látek. Nejedná se o částice v pravém slova smyslu, jde o vzruch šířící se daným prostředím, který je výhodné pro potřeby další analýzy pokládat za částici. Pomocí kvazičástic lze analyzovat některé složité fyzikální děje.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Kvazičástice.

Odkazy

Související články

• Atom
• Atomové jádro
• Comptonův rozptyl
• Hadrony
• Základní částice hmoty

Externí zdroje

• Elementární částice
• Záznam přednášky: Prof. RNDr. Petr Kulhánek, CSc., FEL ČVUT, Astrofyzika 03 (Výtečná přednáška! – cca 500 MB)
• Systematický přehled elementárních částic na serveru Aldebaran.cz

Použitá literatura

• MACHÁČEK, Martin a Zuzana FOGLAROVÁ. Encyklopedie fyziky. 1. vydání. Praha : Mladá fronta, 1999. 408 s. Kapitola 6: Kvantová fyzika. ISBN 80-204-0237-3.

• KATEDRA DIDAKTIKY FYZIKY, MFF UK V PRAZE,, et al. FyzWeb [online]. [cit. 2013-11-29]. <http://fyzweb.cz/materialy/sily/obecne/inter.php>.

• REICHL, Jaroslav a Martin VŠETIČKA. Encyklopedie fyziky [online]. [cit. 2013-11-29]. <http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/894-ctyri-silove-interakce-v-prehledu>.

• NEZNÁMÝ, Autor. aldebaran [online]. [cit. 2013-12-04]. <https://www.aldebaran.cz/astrofyzika/interakce/particles.html>.

• WAGNER, Vladimír. Objective Source E-Learning [online]. [cit. 2013-12-04]. <http://www.osel.cz/3457-jak-se-vyznat-ve-vsemoznych-casticich.html>.

• VELTMAN, Martinus. Fakta a záhady ve fyzice elementárních částic. 1. vydání. Praha : Academia, 2007. ISBN 978-80-200-1500-6.