Cząstki subatomowe to elementy składowe wszechświata, składniki mniejsze od atomu. Są podstawą zrozumienia praw natury i struktury materii. Podczas tej lekcji będziemy badać te cząstki, ich właściwości i sposoby interakcji, kładąc podwaliny pod zrozumienie fizyki cząstek.
Model Standardowy to teoria opisująca trzy z czterech znanych podstawowych sił we wszechświecie, z wyłączeniem grawitacji, i klasyfikuje wszystkie znane cząstki subatomowe. Klasyfikuje te cząstki na fermiony (cząstki materii) i bozony (nośniki siły).
Fermiony dzielą się dalej na kwarki i leptony, podczas gdy bozony obejmują fotony, bozony W i Z, gluony i bozon Higgsa. Kwarki łączą się, tworząc protony i neutrony, składniki jąder atomowych, podczas gdy leptony obejmują elektrony krążące wokół jądra.
Kwarki występują w sześciu typach lub „smakach”: górny, dolny, czarujący, dziwny, górny i dolny. Doświadczają wszystkich czterech podstawowych sił, w tym silnego oddziaływania jądrowego spajającego je w protonach i neutronach. Kwarki nigdy nie występują w izolacji ze względu na zjawisko zwane „uwięzieniem koloru”; istnieją w parach lub w grupach po trzy, tworząc hadrony takie jak protony (dwa kwarki górne i jeden dolny) oraz neutrony (dwa kwarki dolne i jeden kwark górny).
Leptony natomiast nie podlegają silnemu oddziaływaniu jądrowemu. Elektron jest najbardziej znanym leptonem, często spotykanym w obłoku otaczającym jądro atomowe. Inne leptony obejmują mion, tau i odpowiadające im neutrina, które są prawie bezmasowe i bardzo słabo oddziałują z materią.
Bozony to cząstki, które pośredniczą w oddziaływaniach podstawowych. Foton jest nośnikiem oddziaływania elektromagnetycznego, natomiast bozony W i Z odpowiadają za słabe oddziaływanie jądrowe, odpowiedzialne za procesy rozpadu jądrowego. Gluony przenoszą silne oddziaływania jądrowe, utrzymując razem kwarki w protonach i neutronach. Bozon Higgsa, odkryty w 2012 roku w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), jest powiązany z polem Higgsa, które nadaje masę cząstkom.
Każdemu typowi cząstki w Modelu Standardowym odpowiada antycząstka o identycznej masie, ale odmiennych pod względem innych właściwości, takich jak ładunek elektryczny. Kiedy cząstki i antycząstki spotykają się, anihilują, zamieniając swoją masę w energię zgodnie z równaniem Einsteina, \(E = mc^2\) , gdzie \(E\) to energia, \(m\) to masa, a \(c\) to prędkość światła.
Kilka eksperymentów odegrało kluczową rolę w naszym zrozumieniu cząstek subatomowych:
QCD to teoria wyjaśniająca silne oddziaływanie jądrowe, jedną z czterech podstawowych sił, działających pomiędzy kwarkami i gluonami. Zakłada, że kwarki mają właściwość zwaną „ładunkiem koloru” i że wymiana gluonów, które również przenoszą ładunek koloru, pośredniczy w oddziaływaniu silnym. Siła oddziaływania silnego maleje w miarę zbliżania się kwarków, jest to właściwość znana jako „swoboda asymptotyczna”.
Teoria elektrosłaba łączy siły elektromagnetyczne i słabe siły jądrowe w jedną całość. Wyjaśnia, jak na wysokich poziomach energii (takich jak te bezpośrednio po Wielkim Wybuchu) te dwie siły zachowują się jak jedna. Teoria przewiduje istnienie bozonów W i Z, co zostało później potwierdzone eksperymentalnie.
Pomimo sukcesu Model Standardowy nie jest kompletny. Nie uwzględnia grawitacji opisanej w ogólnej teorii względności ani nie wyjaśnia ciemnej materii i ciemnej energii, które stanowią większość Wszechświata. Teorie takie jak supersymetria i teoria strun proponują rozszerzenia Modelu Standardowego, wprowadzając nowe cząstki i koncepcje, próbując rozwiązać te tajemnice.
Podsumowując, cząstki subatomowe, najbardziej podstawowe składniki materii, są niezbędne do zrozumienia struktury wszechświata i leżących u jego podstaw sił go kształtujących. Badanie tych cząstek za pomocą ram teoretycznych, takich jak Model Standardowy i przełomowe eksperymenty, w dalszym ciągu stanowi wyzwanie i poszerza naszą wiedzę o kosmosie.
