חלקיק יסודי

חלקיק יסודי או חלקיק אלמנטרי הוא חלקיק שאינו מורכב מחלקיקים אחרים. פיזיקת החלקיקים מתארת כיצד מורכבים החלקיקים האחרים מחלקיקים יסודיים. לדוגמה, האטום מורכב מחלקיקים קטנים יותר - אלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים. הפרוטונים והנייטרונים, בתורם, מורכבים מחלקיקים יסודיים יותר, הידועים בשם קווארקים. חקר החלקיקים היסודיים הוא שלב נוסף במאמצי האדם להבין את מבנה החומר. מעריכים שיש ביקום הנראה פחות מ 10⁸⁷ חלקיקים יסודיים בודדים.

המודל הסטנדרטי

המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים מכיל 12 סוגים יסודיים של פרמיונים ("חלקיקי החומר") ו-12 סוגים יסודיים של בוזונים ("חלקיקי הקרינה"), ובנוסף הוא מתאר את האנטי-חלקיקים שלהם. אך למרות זאת, המודל הסטנדרטי נחשב תאוריה חלקית בלבד, יותר מאשר תאוריה בסיסית המתארת את כל היקום. הסיבה העיקרית לכך היא שהמודל אינו מתיישב בצורה מלאה עם תיאורית הכבידה של איינשטיין. ככל הנראה ישנם עוד חלקיקים יסודיים שאינם מתוארים במודל הסטנדרטי, כמו הגרביטון, החלקיק שצפוי לשאת את כח הכבידה, או חלקיקי-העל, אותם חלקיקים-שותפים של כל חלקיק רגיל, אותם חוזות תאוריות של סופר-סימטריה.

12 היסודיים

12 החלקיקים הפרמיוניים היסודיים נחלקים לשלושה "דורות", כשבכל דור ארבעה חלקיקים. שישה מחלקיקים אלה הם הקווארקים. השישה הנותרים הם לפטונים, שמתוכם שלושה הם חלקיקי נייטרינו, ושלושת הנותרים הם בעלי מטען חשמלי -1: האלקטרון ושני "בני-דודיו", המיואון והטאו.

אנטי-חלקיקים

ישנם גם 12 אנטי-חלקיקים פרמיוניים יסודיים, המקבילים ל-12 שתוארו למעלה. האנטי-קווארקים הם: אנטי-קווארק למעלה , אנטי-קווארק למטה , אנטי-קווארק קסום , אנטי-קווארק מוזר , אנטי-קווארק עליון  ואנטי-קווארק תחתון . האנטי-לפטונים הם: הפוזיטרון (e⁺) מקביל לאלקטרון ויש לו מטען חשמלי +1. "בני-דודיו" הם האנטי-מיואון החיובי, μ⁺, והאנטי-טאו החיובי, τ⁺. חלקיקי האנטי-נייטרינו הם: אנטי-נייטרינו האלקטרוני , אנטי-נייטרינו המיואוני  ואנטי-נייטרינו הטאואוני .

קווארקים

קווארקים ואנטי-קווארקים מעולם לא נצפו כאשר הם לבדם. קווארק יכול להתקיים, למשל, כאשר הוא מצוות עם אנטי-קווארק, ובכך ליצור מזון: לקווארק יש "צבע" (ראו מטען צבע) ולאנטי-קווארק יש "אנטי-צבע" תואם. הצבע והאנטי-צבע מבטלים זה את זה, ויוצרים שחור (כלומר, אי נוכחותו של מטען צבע כלל). אפשרות אחרת היא ששלושה קווארקים יתקיימו יחד, וייצרו באריון: לקווארק אחד יש צבע "אדום", לאחר "כחול" ולאחרון "ירוק". שלושת הצבעים הללו יחדיו יוצרים צבע "לבן" (כלומר, מטען צבע נייטרלי). אפשרות שלישית היא ששלושה אנטי-קווארקים יתקיימו יחד ויצרו אנטי-באריון: קווארק אחד הוא "אנטי-אדום", אחר הוא "אנטי-כחול" והאחרון "אנטי-ירוק" שלושת הצבעים הללו יחד יוצרים את הצבע ה"אנטי-לבן" (כלומר, נייטרלי). התוצאה היא שצבעים (או אנטי-צבעים) אינם יכולים להיות מבודדים, אך קווארקים נושאים צבע, ואנטי-קווארקים נושאים אנטי-צבע.

גלואונים

שמונה מתוך 12 הבוזונים היסודיים הם גלואונים. הגלואונים נושאים את הכוח הגרעיני החזק, והם נושאים צבע וגם אנטי-צבע.

בוזונים אלקטרו-חלשים

מתוך ארבעת הבוזונים הנותרים, שלושה נושאים את הכוח הגרעיני החלש: אלה הם בוזוני W ו-Z. הבוזון היסודי האחרון הוא הפוטון הנושא את הכוח האלקטרומגנטי.

בוזון היגס

על-אף שהכוחות החלש והאלקטרומגנטי נראים לנו שונים למדי בחיינו הרגילים, התאוריה מנבאת כי שני הכוחות צפויים להתאחד באנרגיות גבוהות במיוחד, ולהיות כוח אלקטרו-חלש. הסיבה להבדל זה באנרגיות נמוכות צפוי להיות קיומו של בוזון היגס. בתהליך של שבירת סימטריה ספונטנית, חלקיק ההיגס בוחר כיוון מסוים במרחב אלקטרו-חלש הגורם לשלושה חלקיקים אלקטרו-חלשים להפוך להיות מאוד כבדים (הבוזונים הכבדים) ולאחד אחר שיהיה חסר מסה (הפוטון האלקטרומגנטי).

סימטריית-על

הרחבה מרכזית של המודל הסטנדרטי מערבת חלקיקי סופר-סימטריה, הנקראים סחלקיקים, ואלה כוללים את הסלפטונים, סקווארקים, חלקיקי נייטרלינו וחלקיקי צ'רג'ינו. לכל חלקיק במודל הסטנדרטי יהיה חלקיק-על שהספין שלו שונה מזה של החלקיק המקורי (לפרמיון מתאים בוזון חדש ולבוזון מתאים פרמיון חדש). בנוסף, החלקיקים הללו מסיביים יותר מבני הזוג המוכרים שלהם, ואם הם קיימים, לצורך יצירתם דרוש מאיץ חלקיקים אנרגטי מאוד. ייתכן שהם ייווצרו במאיץ LHC.

תורת המיתרים

על-פי תורת המיתרים כל סוג של חלקיק יסודי הוא למעשה ביטוי של תבנית רטיטה של מיתר בסיסי. כל המיתרים זהים, בסופו של דבר, אך החלקיקים שונים האחד מהשני בתבנית שבה המיתר שלהם רוטט. חלקיקים מסיביים יותר הם ביטוי של תבניות רטיטה אנרגטיות יותר. אך חלקיקים יסודיים אינם מכילים מיתרים: הם עצמם מיתרים.
תאוריית המיתרים גם צופה את קיומם של הגרביטונים. זיהוי גרביטונים בניסוי הוא משימה קשה מאוד, מכיוון שהכוח הגרביטציוני הוא כה חלש בהשוואה לשאר הכוחות, ועד כה לא נמצאו ראיות לקיומם.