Subatomske čestice građevni su blokovi svemira, komponente koje su manje od atoma. Oni su temeljni za razumijevanje zakona prirode i strukture materije. Kroz ovu lekciju krećemo u istraživanje ovih čestica, njihovih svojstava i načina na koji međusobno djeluju, postavljajući temelje za razumijevanje fizike čestica.
Standardni model je teorija koja opisuje tri od četiri poznate temeljne sile u svemiru, isključujući gravitaciju, i klasificira sve poznate subatomske čestice. Kategorizira te čestice u fermione (čestice materije) i bozone (nosioce sile).
Fermioni se dalje dijele na kvarkove i leptone, dok bozoni uključuju fotone, W i Z bozone, gluone i Higgsov bozon. Kvarkovi se spajaju u protone i neutrone, komponente atomskih jezgri, dok leptoni uključuju elektrone koji kruže oko jezgre.
Kvarkovi dolaze u šest vrsta ili "okusa": gore, dolje, šarm, čudno, vrh i dno. Oni doživljavaju sve četiri temeljne sile, uključujući snažnu nuklearnu silu koja ih drži zajedno unutar protona i neutrona. Kvarkovi se nikada ne nalaze izolirani zbog fenomena koji se naziva "ograničenje boja"; oni postoje u parovima ili u skupinama od tri, tvoreći hadrone poput protona (dva gornja kvarka i jedan donji kvark) i neutrona (dva donja kvarka i jedan gornji kvark).
Leptoni, s druge strane, ne doživljavaju jaku nuklearnu silu. Elektron je najpoznatiji lepton, koji se često nalazi u oblaku koji okružuje atomsku jezgru. Ostali leptoni uključuju mion, tau i njihove odgovarajuće neutrine, koji su gotovo bez mase i vrlo slabo djeluju na materiju.
Bozoni su čestice koje posreduju temeljne sile. Foton je nositelj elektromagnetske sile, dok su W i Z bozoni odgovorni za slabu nuklearnu silu, odgovornu za procese nuklearnog raspada. Gluoni nose snažnu nuklearnu silu, držeći kvarkove zajedno unutar protona i neutrona. Higgsov bozon, otkriven 2012. na Velikom hadronskom sudaraču (LHC), povezan je s Higgsovim poljem koje daje masu česticama.
Svaki tip čestice u Standardnom modelu ima odgovarajuću antičesticu, identičnu po masi, ali suprotnu po drugim svojstvima kao što je električni naboj. Kada se čestice i antičestice sretnu, one anihiliraju, pretvarajući svoju masu u energiju prema Einsteinovoj jednadžbi, \(E = mc^2\) , gdje je \(E\) energija, \(m\) masa, a \(c\) je brzina svjetlosti.
Nekoliko eksperimenata bilo je ključno u našem razumijevanju subatomskih čestica:
QCD je teorija koja objašnjava jaku nuklearnu silu, jednu od četiri temeljne sile, koja djeluje između kvarkova i gluona. Pretpostavlja se da kvarkovi imaju svojstvo koje se zove "naboj boje" i da razmjena gluona, koji također nose naboj boje, posreduje u snažnoj sili. Snaga jake sile opada kako se kvarkovi približavaju, što je svojstvo poznato kao "asimptotska sloboda".
Elektroslaba teorija ujedinjuje elektromagnetske i slabe nuklearne sile u jedan okvir. Objašnjava kako se na visokim energetskim razinama (kao što su one neposredno nakon Velikog praska) ove dvije sile ponašaju kao jedna. Teorija predviđa postojanje W i Z bozona, kasnije eksperimentalno potvrđeno.
Unatoč uspjehu, standardni model nije potpun. Ne uključuje gravitaciju, opisanu općom teorijom relativnosti, niti objašnjava tamnu materiju i tamnu energiju koje čine većinu svemira. Teorije kao što su supersimetrija i teorija struna predlažu proširenja standardnog modela, uvodeći nove čestice i koncepte u pokušaju rješavanja ovih misterija.
U zaključku, subatomske čestice, najtemeljnije komponente materije, sastavni su dio razumijevanja strukture svemira i temeljnih sila koje ga oblikuju. Proučavanje ovih čestica, kroz teorijske okvire poput Standardnog modela i revolucionarnih eksperimenata, nastavlja izazivati i širiti naše znanje o kozmosu.
