Subatomaarsed osakesed

Subatomaarne osake on aatomituumast väiksem osake.

Subatomaarsetest osakestest on elementaarosakesed leptonid, kvargid ja vastasmõjusid vahendavad vaheosakesed, kõik teised subatomaarsed osakesed on liitosakesed. Näiteks aatomituuma moodustavad prooton ja neutron on liitosakesed ja koosnevad kvarkidest, samas kui aatomituuma ümber tiirlevad elektronid on fundamentaalosakesed (leptonid).

Subatomaarsete osakeste uurimisega tegeleb osakestefüüsika, samuti on subatomaarsetel osakestel tähtis roll nii tuumafüüsikas kui ka kvantmehaanikas.

Üldine kirjeldus 

Kuigi sõna osake toob silma ette imepisikese täpikese, siis tegelikult on vastavalt kvantmehaanikale tegemist laineosakese duaalsusega. Iga subatomaarne osake on tegelikult samaaegselt ka laine ning teda on võimalik kirjeldada lainefunktsiooniga.

Tulenevalt kvantmehaanika määramatuse printsiibist ei ole kõik osakeste omadused samaaegselt täpselt määratletavad, vaid omavad tõenäosuslikku väärtust. Näiteks elektroni asukoht aatomituuma elektronkihis ei ole üheselt määratud, vaid elektron võib igal ajahetkel asuda suvalises oma orbitaali punktis.

Subatomaarsete osakeste omadused 
Subatomaarseid osakesi iseloomustavad omadused on seisumass, eluiga (ja võimalikud lagunemisteed eluea lõppedes) ning kvantarvud.

Seisumass

Seisumassist räägitakse seetõttu, et liikuvatel (st energiat omavatel) osakestel on mass suurem.

Kuna osakese seisumass tähendab ühtlasi tema vähimat võimalikku energiat (see on energia, mis vabaneb osakese annihileerumisel), siis kasutatakse osakese seisumassi kirjeldamiseks mõõtühikut elektronvolt.

Eluiga

Subatomaarse osakese eluiga on statistiline keskmine ajavahemik, mille järel subatomaarne osake laguneb. Eluea alusel jagatakse subatomaarseid osakesi stabiilseteks, metastabiilseteks ja vähestabiilseteks osakesteks.

Stabiilsed on osakesed, mis ei saa ühe või teise kvantarvu jäävuse tõttu kergemateks (väiksema seisumassiga) osakesteks laguneda. Näiteks prooton on stabiilne osake tänu tema barüonlaengu jäävuse nõudele.

Metastabiilsed on osakesed, mis võivad laguneda kergemateks osakesteks läbi erinevate vastasmõjude. Samas on osakese eluiga piisavalt pikk, et tema olemasolu "märgata" (suurem kui 10−20 sekundit). Kõige pikema elueaga metastabiilne osake on neutron (umbes 15 minutit).

Vähestabiilsed on osakesed elueaga vähem kui (10−22 sekundit). See ajavahemik on liiga lühike, et neid eristada lagunemisprotsessi piltidel (isegi valgus jõuab selle aja jooksul liikuda ainult osakese ühest "servast" teiseni). Ning väiksem ajavahemikust, mis on vajalik vastasmõjude "reageerimiseks" uue osakese tekkele (vastasmõju kandev virtuaalne vahendusosake ei jõua selle aja jooksul ühegi teise osakeseni, et nende osakeste vahel vastasmõju tekitada).

Resonantsosakesed
Resonantsosakesed on vähestabiilsed osakesed, mille puhul on tegemist mõne osakese ergastatud seisundiga. Nagu makromaailmas tuntud resonantsi puhul on siin tegemist osakest kirjeldava lainefunktsiooni sagedusega, mille puhul väike väline lisamõju salvestatakse laine amplituudi, mis kasvab välisest mõjutajast olulisest suuremaks. Tulenevalt aga osakese laine-osakese dualismist võib selliseid ergastatud olekuid vaadelda iseseisvate osakestena, ehk resonantsosakestena.

Kvantarvud

Subatomaarseid osakesi iseloomustavad järgnevad kvantarvud:

 Spinn (s), mille alusel jagatakse subatomaarsed osakesed fermionideks (spin on poolarvuline) ja bosoniteks (spinn on täisarvuline).
 Elektrilaeng (Q), mis on elementaarlaengu (e) kordne ning võib olla kas positiivne või negatiivne. Elektrilaeng saab olla ainult nendel osakestel, mille seisumass on suurem nullist. Kvarkide elektrilaeng on e/3 kordne. Elektrilaeng on jääv suurus.
 Barüonlaeng (B), mis iseloomustab barüone. Kõigil barüonidel (näiteks prooton ja neutron) on barüonlaeng 1, antibarüonidel −1 ja teistel osakestel 0. Kvarkide barüonlaeng on 1/3 ja antikvarkide barüonlaeng −1/3. Barüonlaeng on jääv suurus.
 Leptonlaengud (L), mis iseloomustavad leptoneid. Leptonlaenguid on kolm (Le, Lμ ja Lτ) ning igaüks neist määratleb ühe leptonpaari. Näiteks Le väärtusega 1 on elektron ja elektronneutriino ja väärtusega −1 on positron ning antielekronneutriino. Leptonlaengu võimalikud väärtused on −1, 0 ja 1 ning ta on jääv suurus.
 Paarsus, mis määrab osakese peegelsümmeetria olemasolu. Paarsus võib olla kas 1 või −1 ning ta on multiplikatiivne kvantarv. Paarsused on:
 Laengupaarsus (C), mis kirjeldab osakese ja antiosakese vahetatavust.
 Ruumipaarsus (P), mis kirjeldab süsteemi muutumist koordinaatide märgi muutmisel.
 Ajapaarsus (T), mis määrab, kas protsess on ajas sümmeetriline (aja pööramine tagurpidi ei muuda protsessi)
 Isospinn (Iz) on tugevat vastasmõju iseloomustav kvantarv, mis eristab up- ja down-tüüpi kvarke. Up-tüüpi kvarkidel on isospinn 1/2 ja down-tüüpi kvarkidel isospinn on −1/2. Esimese põlvkonna kvargid (u- ja d-kvark) ongi määratletud ainult nende isospinniga, neil ei ole lõhna.
 Lõhn on komplekt kvantarve, mis määratleva kvargi tüübi teises ja kolmandas põlvkonnas. Need on:
Veidrus (S), mis on veidral kvargil −1 ja veidral antikvargil 1. Kõigil teistel kvarkidel on veidrus 0.
 Sarm (C), mis on sarmiga kvargil 1 ja sarmiga antikvargil −1. Kõigil teistel kvarkidel on sarm 0.
 Põhisus (B') (inglise keeles Bottomness), mis on põhjakvargil −1 ja antipõhjakvargil +1.
 Tipusus (T) (inglise keeles Topness), mis on tipukvargil 1 ja antitipukvargil −1.
 Värvilaeng, mis iseloomustab kvarke ja gluuoneid. Kvarkide värvilaeng võib olla kas punane, kollane või sinine. Antikvarkide värvilaengud on vastavalt antipunane, antikollane ja antisinine. Iga kvark ja antikvark võib omada ühte värvilaengut. Gluuon omab korraga värvi ja antivärvi laengut.

Subatomaarsete osakeste grupid

Fermionid ja bosonid

Subatomaarsete osakese spinni alusel jagatakse need fermionideks ja bosoniteks.

Fermionid on osakesed, mille spinn on murdarvuline (sisaldab väärtust ½). Tulenevalt sellest alluvad nad Pauli keeluprintsiibile, mistõttu peavad kõik süsteemis olevad identsed fermionid olema erinevates kvantolekutes. Kõige tuntum fermion on elektron ning sellele rakenduva Pauli keeluprintsiibi näiteks on aatomi elektronkihid.
Fermionid mõjutavad üksteist erinevate vastasmõjudega vahetades omavahel bosoneid. Fermionid jagunevad omakorda leptoniteks, kvarkideks ja barüonideks.

Bosonid on osakesed, mille spinn on täisarvuline. Tulenevalt sellest võivad kõik süsteemis olevad identsed bosonid olla samas kvantolekus. Kõige tuntum boson on footon. Bosonid vahendavad vastasmõjusid fermionide vahel. Bosonitel võib seisumass olemas olla või puududa. Sõltuval sellest on määratud nende vahendatava vastasmõju ulatus. Bosonid jagunevad vaheosakesteks ja mesoniteks.

Leptonid ja kvargid
Fermionid jagunevad leptoniteks, kvarkideks ja barüonideks. Neist kaks esimest on fundamentaalsed fermionid, mille spinn on 1/2.

Leptonid on osakesed, mis ei osale tugevas vastasmõjus ja mida iseloomustab leptonlaeng. Leptonlaenguid on kolm ning iga leptonlaeng kirjeldab leptonpaari, ehk siis osakese ja sellele vastava neutriino. Kõigil teistel osakestel on leptonlaeng null.

Kvargid on tugevas vastasmõjus osalevad fundamentaalosakesed, mille erinevad kvantarvud (näiteks elektrilaeng, barüonlaeng) on murdarvulised (1/3 või 2/3). Kvargid ei eksisteeri kunagi eraldiseisvate osakestena, vaid moodustavad liitosakese, mida kutsutakse hadroniks.

Hadronid
Hadronid on liitosakesed, mis koosnevad kvarkidest. Hadronid jagunevad barüonideks, mis on fermionid, ja mesoniteks, mis on bosonid. T-kvark tänu oma ülisuurele massile ja ülilühikesele elueale ei hadroniseeru (ei osale hadronite moodustamises).

Barüonid on kvarkidest koosnevad fermionid, mis osalevad tugevas vastasmõjus. Barüone iseloomustab barüonlaeng, mis on nullist erinev. Barüonid on näiteks prooton, neutron ja hüperonid (barüonid, mis sisaldavad s-kvarki, kuid ei sisalda c-kvarki, ega b-kvarki).

Mesonid on kvargist ja antikvargist koosnevad bosonid, mis osalevad tugevas vastasmõjus. Meson ei ole fundamentaalne vaheosake, kuid siiski on mesonitel tähtis roll tuumajõudude (mis on tugeva vastastikmõju teisene avaldumisvorm) vahendamisel nukleonide vahel.

Vaheosakesed

Vaheosakesed ehk vahebosonid on footon, W boson, Z boson, gluuon ja (hüpoteetiline) graviton. Kõik vaheosakesed on bosonid, mistõttu nimetatakse neid ka vahebosoniteks.

Footon vahendab elektromagnetilist vastasmõju. Tema seisumass on 0 ning ta ise ei kanna vahendatavat elektrilaengut.

W boson ja Z boson vahendavad nõrka vastasmõju. Nende seisumass on nullist erinev, mistõttu on nõrk vastasmõju väga lühikese ulatusega.

Gluuon vahendab tugevat vastasmõju. Tema seisumass on 0, kuid erinevalt teistest vaheosakestest kannab gluuon värvilaengut (koos antivärvilaenguga) ja osaleb ka ise aktiivselt tugevas vastastikmõjus.

Graviton peaks vahendama gravitatsiooni. Seda osakest ei ole veel avastatud.

Vaata ka
 Osakeste loend

Välislingid

Artikkel on kirjutatud tuginedes ingliskeelses vikis avaldatud faktidele ja materjalidele.

Osakestefüüsika