Alkeishiukkanen

Alkeishiukkanen on hiukkasfysiikassa hiukkanen, jolla ei ole omaa sisäistä rakennetta eikä se siis koostu muista hiukkasista.
Esimerkiksi atomit ovat muodostuneet pienistä hiukkasista, jotka tunnetaan elektronina, protonina ja neutronina. Protoni ja neutroni vuorostaan ovat rakentuneet vielä alkeellisemmista hiukkasista, jotka tunnetaan kvarkkeina. Siten protonia ja neutronia ei voi määritellä alkeishiukkaseksi, toisin kuin elektronit.
Yksi hiukkasfysiikan suurimmista ongelmista on löytää alkeellisimmat hiukkaset – pikkuhiukkaset – jotka muodostavat kaikki muut luonnon hiukkaset eivätkä itse ole muodostuneet pienemmistä hiukkasista.
Standardimallin mukaan alkeishiukkasia ovat leptonit, kvarkit ja mittabosonit. Leptonit ja kvarkit ovat fermioneita, eli ns. materiaalihiukkasia ja mittabosonit ymmärretään voimanvälittäjähiukkasina. Bosonit erottaa fermioneista spin-luku, joka on bosoneilla kokonaisluku ja fermioneilla puoliluku.

Leptonit

Leptoneihin kuuluvat tutun elektronin ja neutriinoiden lisäksi samantapaiset mutta raskaammat hiukkaset myoni ja tau. Kullakin näistä on lisäksi antihiukkasensa, positroni, antimyoni, antitau ja antineutriinot. Neutriinojen mahdollisten antihiukkasten olemassaolosta ei vielä olla varmoja. Nykyään tiedetään, että neutriinoilla on pieni lepomassa.

Kvarkit

Kvarkkeja on kuusi kappaletta, kuten leptoneitakin, antikvarkit mukaan laskettuina kaksitoista. Kuusi kvarkkia ovat u-, d-, c-, s-, t- ja b-kvarkit. Kirjaimet tulevat englanninkielisistä sanoista up (ylös), down (alas), charm (lumo), strange (outo), truth tai top (totuus tai huippu) ja beauty tai bottom (kauneus tai pohja).
Hadronit ovat useamman kvarkin yhdistelmiä. Kolmesta kvarkista muodostunutta hadronia kutsutaan baryoniksi ja kahdesta kvarkista muodostunutta hadronia kutsutaan mesoniksi. Tunnetuimmat hadronit ovat protoni (kaksi u-kvarkkia ja yksi d-kvarkki) ja neutroni (yksi u-kvarkki ja kaksi d-kvarkkia).
Alkeishiukkanen-sanaa on käytetty usein myös fermioneista ja esimerkiksi monilla kemian aloilla ei tarvitse ottaa huomioon suurta osaa fysiikan alkeishiukkasista.

Alkeishiukkasten tuottaminen

Elektronit ovat alkeishiukkasista helpoimmin keinotekoisesti tuotettavissa, sillä niitä voidaan tuottaa yksinkertaisesti lämmittämällä metallia ja asettamalla positiivisesti varautunut pinta tämän lähelle, jolloin metallista emittoituneet elektronit kiitävät sähkökentän vaikutuksesta kohti positiivista kohtiota. Muiden alkeishiukkasten tuottaminen ja havaitseminen onkin hankalampaa. Aikaa ennen hiukkaskiihdyttimiä alkeishiukkasia voitiin havaita tutkimalla kosmista säteilyä, mistä alkeishiukkasfysiikka varsinaisesti sai alkunsa. Positroni, myoni ja pioni löydettiin ensimmäisen kerran vuosina 1930–1940 kosmisesta säteilystä. Myöhemmin alkeishiukkasia voitiin havaita myös ydinreaktoreissa radioaktiivisten ydinten hajotessa, esimerkiksi beetasäteilyn yhteydessä elektroneja ja positroneja sekä gammasäteilyn yhteydessä fotoneja.
Nykyään alkeishiukkasten tuottamista varten on rakennettu hiukkaskiihdyttimiä, joissa kiihdytetään korkeaenergiaisia hiukkasia mm. magneettien avulla. Hiukkaskiihdyttimien avulla voidaan tuottaa mm. positroneja, myoneja, pioneja ja kaoneja. Jopa ns. vapaita kvarkkeja ja gluoneja voidaan luoda törmäyttämällä tarpeeksi suurella energialla hiukkasia (protoneja), jolloin syntyy kvarkkigluoniplasmaa (kvarkit eivät enää sidoksissa toisiinsa). Tällöin lämpötila ja paine ovat hetkellisesti todella korkeat. Kvarkkigluoniplasmaa ei voida kuitenkaan havaita suoraan, sillä se jäähtyy nopeasti (kvarkit sitoutuvat takaisin hadroneiksi), mutta sen olemassaolon voi päätellä hiukkasilmaisimilla niihin osuneista lopputilan hiukkasista.

Alkeishiukkasten havaitseminen

Alkeishiukkasten havaitsemiseen voidaan käyttää esimerkiksi sumukammiota, kuplakammiota, geiger-mittaria ja tuikeilmaisinta. Monet alkeishiukkasilmaisimet perustuvat siihen, että ilmaisimen läpi kulkeva tutkittava hiukkanen ionisoi atomeja laitteen sisällä synnyttäen havaittavan signaalin. Sähköisesti neutraalit hiukkaset eivät tietenkään voi ionisoida, mutta vuorovaikuttaessaan oikeanlaisen ilmaisinmateriaalin kanssa syntyy varattuja hiukkasia, joita voidaan ionisaation kautta havaita. Esimerkiksi fotoneja voidaan havaita syntyneiden positronien ja elektronien kautta.