Fizyka cząstek to dziedzina fizyki badająca naturę cząstek tworzących materię i promieniowanie. Chociaż cząstek nie widać gołym okiem, ich wpływ na wszechświat jest rzeczywiście kolosalny. W tej dziedzinie badane są najmniejsze składniki materii i ich wzajemne oddziaływanie. Zrozumienie tych cząstek i ich interakcji pomaga nam zrozumieć wszechświat na wielką skalę.
Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych to teoria, która opisuje trzy z czterech znanych podstawowych sił we wszechświecie (oddziaływania elektromagnetyczne, słabe i silne, ale nie grawitacja) i klasyfikuje wszystkie znane cząstki elementarne. Dzieli cząstki na dwie główne grupy: fermiony i bozony.
Fermiony są budulcem materii. Mają spin półcałkowity i spełniają zasadę wykluczenia Pauliego, co oznacza, że żadne dwa fermiony nie mogą znajdować się jednocześnie w tym samym stanie kwantowym. Fermiony dzielą się dalej na leptony i kwarki.
Bozony to cząstki przenoszące siły i posiadające spin całkowity. Nie przestrzegają zasady wykluczenia Pauliego. W Modelu Standardowym istnieją cztery typy bozonów:
We wszechświecie istnieją cztery podstawowe interakcje, które regulują zachowanie całej materii i energii. Model Standardowy z powodzeniem wyjaśnia trzy z nich:
Grawitacja, czwarta siła, nie została jeszcze opisana w Modelu Standardowym. Wyjaśnia to ogólna teoria względności i uważa się, że pośredniczy w tym teoretyczna cząstka znana jako grawiton.
Do badania fizyki cząstek naukowcy używają dużych maszyn zwanych akceleratorami cząstek , które przyspieszają i zderzają cząstki przy wysokich energiach. W wyniku tych zderzeń powstają nowe cząstki, które umożliwiają badaczom badanie właściwości tych cząstek.
Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN koło Genewy w Szwajcarii jest największym i najpotężniejszym akceleratorem cząstek na świecie. Odegrał kluczową rolę w odkryciu bozonu Higgsa.
Kwantowa teoria pola to teoretyczne ramy fizyki cząstek elementarnych. Łączy w sobie mechanikę kwantową i szczególną teorię względności. QFT opisuje cząstki jako stany wzbudzone ich pól podstawowych. Na przykład fotony są wzbudzeniami pola elektromagnetycznego, a elektrony są wzbudzeniami pola elektronowego.
Dla każdej cząstki istnieje antycząstka o przeciwnym ładunku elektrycznym. Kiedy cząstka spotyka swoją antycząstkę, unicestwiają się nawzajem, wytwarzając promienie gamma. Antymateria jest wykorzystywana w obrazowaniu medycznym i jest przedmiotem badań mających na celu zrozumienie braku równowagi między materią a antymaterią we wszechświecie.
Neutrina to niezwykle lekkie, neutralne cząstki, które bardzo słabo oddziałują z inną materią. Co sekundę przez nas przechodzą miliardy neutrin, w większości niezauważone. Neutrina pochodzą ze Słońca i innych źródeł astronomicznych. Są ważne dla zrozumienia procesów gwiezdnych i struktury Wszechświata.
Fizyka cząstek elementarnych to fascynująca i złożona dziedzina badająca podstawowe składniki i siły wszechświata. Poprzez eksperymenty z wykorzystaniem akceleratorów cząstek, takich jak LHC, oraz ram teoretycznych, takich jak Model Standardowy i Kwantowa Teoria Pola, naukowcy w dalszym ciągu odkrywają tajemnice Wszechświata, cząstka po cząstce.
