Субатомні частинки є будівельними блоками Всесвіту, компонентами, меншими за атом. Вони є фундаментальними для розуміння законів природи та будови матерії. Упродовж цього уроку ми починаємо досліджувати ці частинки, їхні властивості та те, як вони взаємодіють, закладаючи основу для розуміння фізики елементарних частинок.
Стандартна модель — це теорія, яка описує три з чотирьох відомих фундаментальних сил у Всесвіті, за винятком гравітації, і класифікує всі відомі субатомні частинки. Він класифікує ці частинки на ферміони (частинки матерії) і бозони (носії сили).
Ферміони далі поділяються на кварки та лептони, тоді як бозони включають фотони, W- та Z-бозони, глюони та бозон Хіггса. Кварки об’єднуються, утворюючи протони та нейтрони, компоненти атомних ядер, тоді як лептони містять електрони, які обертаються навколо ядра.
Кварки бувають шести типів або «ароматів»: вгору, вниз, чарівність, дивно, верх і низ. Вони відчувають усі чотири фундаментальні сили, включаючи сильну ядерну силу, яка утримує їх разом у протонах і нейтронах. Кварки ніколи не зустрічаються ізольовано через явище, яке називається «утримання кольорів»; вони існують парами або групами по три, утворюючи адрони, такі як протони (два верхніх кварка й один нижній кварк) і нейтрони (два нижніх кварки й один верхній кварк).
З іншого боку, лептони не відчувають сильної ядерної сили. Електрон є найвідомішим лептоном, який часто зустрічається в хмарі, що оточує атомне ядро. Інші лептони включають мюон, тау та відповідні їм нейтрино, які майже безмасові та дуже слабо взаємодіють з речовиною.
Бозони - це частинки, які є посередниками фундаментальних сил. Фотон є носієм електромагнітної сили, тоді як бозони W і Z відповідають за слабку ядерну силу, відповідальну за процеси ядерного розпаду. Глюони несуть потужну ядерну силу, утримуючи кварки разом у протонах і нейтронах. Бозон Хіггса, відкритий у 2012 році на Великому адронному колайдері (LHC), пов'язаний з полем Хіггса, яке надає частинкам масу.
Кожен тип частинок у Стандартній моделі має відповідну античастинку, однакову за масою, але протилежну за іншими властивостями, такими як електричний заряд. Коли частинки та античастинки зустрічаються, вони анігілюють, перетворюючи свою масу на енергію відповідно до рівняння Ейнштейна \(E = mc^2\) , де \(E\) — енергія, \(m\) — маса, а \(c\) — швидкість світла.
Кілька експериментів відіграли ключову роль у нашому розумінні субатомних частинок:
КХД — це теорія, що пояснює сильну ядерну силу, одну з чотирьох фундаментальних сил, що діють між кварками та глюонами. Він припускає, що кварки мають властивість, яка називається «колірним зарядом», і що обмін глюонами, які також несуть кольоровий заряд, є посередником сильної сили. Сила сильної сили зменшується, коли кварки наближаються ближче, ця властивість відома як «асимптотична свобода».
Електрослабка теорія об'єднує електромагнітні та слабкі ядерні сили в єдину структуру. Це пояснює, як на високих енергетичних рівнях (таких, як ті, що відразу після Великого вибуху) ці дві сили поводяться як одна. Теорія передбачає існування бозонів W і Z, пізніше підтверджене експериментально.
Незважаючи на свій успіх, стандартна модель не є повною. Він не включає гравітацію, описану загальною теорією відносності, і не пояснює темну матерію та темну енергію, що становлять більшу частину Всесвіту. Такі теорії, як суперсиметрія та теорія струн, пропонують розширення Стандартної моделі, вводячи нові частинки та концепції, намагаючись розкрити ці таємниці.
Підсумовуючи, субатомні частинки, найбільш фундаментальні компоненти матерії, є невід’ємною частиною розуміння структури Всесвіту та глибинних сил, які його формують. Дослідження цих частинок за допомогою таких теоретичних основ, як Стандартна модель і новаторські експерименти, продовжує кидати виклик і розширювати наші знання про космос.
