Dalelių fizika

Dalelių fizika –
fizikos sritis, kuri nagrinėja gamtą, sudarytą iš dalelių, kurios
sudaro medžiagą ir spinduliuotę. Nors žodis dalelė gali reikšti įvairius mažus
objektus (pvz. protonus, dujų daleles ar net dulkes), dalelių
fizika nagrinėja mažiausias aptinkamas daleles ir fundamentaliąsias sąveikas,
kurios paaiškina jų elgesį.

Dabartiniu supratimu elementariosios dalelės yra kvantinių laukų sužadinimai,
kurie taip pat atsakingi už sąveikas. Šiuo metu pagrindinė teorija, kuri
paaiškina šias fundamentaliąsias daleles ir laukus kartu su jų dinamika (kitimu)
yra vadinama standartiniu modeliu. Taigi, moderni
dalelių fizika paprastai tiria standartinį modelį ir įvairius jo plėtinius, pvz.
įtraukiant naujausią „žinomą“ dalelę, Higso bozoną, daleles, paaiškinančias
gravitaciją, tamsiąją materiją ir
kt.

Subatominės dalelės 

Moderni dalelių fizika koncentruojasi į subatomines daleles,
įskaitant atomo sudedamąsias dalis, tokias kaip elektronai,
protonai ir neutronai (protonai ir neutronai yra
kompozitinės dalelės, vadinamos barijonais, sudarytais iš kvarkų).
Subatominės dalelės atsiranda iš radioaktyvių skilimų bei sklaidos procesų. Keli
tokių dalelių pavyzdžiai: fotonai, neutrinai,
miuonai bei kitos egzotiškos dalelės.

Dalelių dinamika (kitimas) taip pat paklūsta kvantinei mechanikai: jos turi
bangos-dalelės dualumą, kartais elgiasi labiau kaip ,,dalelė", kartais labiau
kaip ,,banga". Labiau techniniais terminais galima sakyti, kad dalelės yra
apibūdinamos kvantinės būsenos vektoriais Hilberto erdvėje, kuri yra aprašoma
kvantine laukų teorija. Šiuo metu tarp dalelių fizikų yra nusistovėjusi
nuostata, kad elementariosiomis dalelėmis yra vadinamos tik tokios dalelės,
kurios pagal dabartinį supratimą yra nedalomos ir nėra sudarytos iš kitų dalelių.

Visos dalelės ir jų sąveikos beveik vienareikšmiškai gali būti aprašytos teorija
(tiksliau – modeliu), vadinama standartiniu modeliu. Standartinis modelis šiuo
metu formuluojamas kaip 61 elementariųjų dalelių rinkinys. Elementariosios
dalelės gali sudaryti kompozitines daleles, kurių jau atrasta šimtai nuo
1960-ųjų.

Standartinis modelis iki šios dienos atsilaikė prieš visus eksperimentinius
testus. Kita vertus, dalelių fizikai tiki, kad modelis nėra išbaigtas gamtos
aprašymas ir labiau fundamentali teorija dar laukia būti atrasta (pvz. Visko
teorija). Pastaraisiais metais pamatuota neutrinų masė suteikė pirmųjų
eksperimentinių nukrypimų nuo standartinio modelio, kuriame neutrinai turėtų
būti be masės.

Svarbiausios dalelių savybės 

Elementariosios dalelės apibūdinamos trim savybėmis (kvantiniais skaičiais):
 Masė. Natūralioje vienetų sistemoje energijos masė išreiškiama elektronvoltais (eV).
 Sukinys. Fermionai turi trupmeninį sukinį (1/2, 3/2), Bozonai – sveiką (0, 1, 2).
 Lyginumas. Erdvinės inversijos metu keičiasi banginės funkcijos ženklas.

Taip pat plačiai sutinkami efektiniai kvantiniai skaičiai, kaip
elektrinis krūvis, izosukinys ir kt., kurie gali būti
išreikšti per laukų sąryšio konstantas arba išskaičiuoti kompleksinių dalelių
atvejų. Efektiniai kvantiniai skaičiai yra naudojami
efektinėse kvantinėse (lauko) teorijose.

Fundamentaliosios sąveikos 

Elektrosilpnoji (elektromagnetinė ir
silpnoji sąveikos), stiprioji bei Higso sąveikos yra
aprašomos standartiniu modeliu, o vieningai veikiančios kvantinės gravitacijos
teorijos dar nėra, todėl naudojama klasikinė
bendroji reliatyvumo teorija gravitacinei
sąveikai aprašyti.

Tyrimų istorija

Priešistorė 

Idėja, kad materija susideda iš elementariųjų dalelių, vėliausiai atsirado VI a. pr. m. e. Atomizmą ir elementariųjų dalelių prigimtį (materializmą) nagrinėjo senovės graikų filosofai Leukipas, Demokritas ir Epikūras; Viduramžių mokslininkai Alhazenas, Avicena, Algazelis; ankstyvieji moderniųjų laikų Europos fizikai Pjeras Gasendis, Robertas Boilis bei Izaokas Niutonas. Ankstyvieji dalelių tyrinėjimai vyko abstrakčiai, remiantis filosofiniu aiškinimu, o ne eksperimentavimu bei empiriniu stebėjimu.

Moderniosios dalelių fizikos atsiradimas 

Moderni dalelių fizika prasideda, kai
J. J. Tomsonas
1897 metais atranda katodinius spindulius – elektronus. Tai pirmoji elementari
dalelė pagal dabartinį supratimą ir už šį atradimą 1906 m. Tomsonui įteikta
Nobelio premija.

1905 m. A. Einšteinas
paaiškina fotoelektrinį efektą taip įvesdamas fotono sąvoką (už tai 1921 m. jam
įteikta Nobelio premija).

1911 m. E. Rezerfordas
vienas pirmųjų įvedė branduolio sąveiką – vandenilio branduolys, kurį 1920 m.
pavadino protonu.

1920–1930 metais formuojasi kvantinė mechanika.

1921–1922 Šterno-Gerlacho eksperimentas
įrodo sukinio egzistavimą.

1929 m. G. Gamow
parodo, kad kvantinė mechanika prognozuoja (iki 1 MeV) dalelių
tuneliavimą, o tolesniems tyrimams reikalingi greitintuvai.

1929 m. E. Lawrence
išranda ciklotroną (1939 m. už tai jam įteikta Nobelio premija).

1932 m. išrandamas Cockcroft-Walton generatorius
(greitintuvas) (1951 m. už tai įteikiama Nobelio premija).

1932 m. :en:James_Chadwick
atranda neutroną (1935 m. įteikta Nobelio premija).

1932 m. Carl D. Anderson
atranda pozitroną (1936 m. įteikta Nobelio premija).

1933 m. E. Fermi
pasiūlo naują nematomą dalelę – neutriną, kurį 1956 metai jau po Fermi mirties
atrado
Clyde Cowan ir
Frederick Reines
(1995 m. įteikta Nobelio premija).

1936 m. Carl D. Anderson
ir Seth Neddermeyer
atranda miuoną.

1947 m. César Lattes,
Giuseppe Occhialini,
Cecil Powell
atranda pioną (1949 m.
už teorinį pagrindimą Yukawa
gauna Nobelio premiją, o už eksperimentinius
metodus 1950 m. Nobelio premija įteikiama C. Powell).

Vėliau seka dar daugybė subatominių dalelių atradimų ir Nobelio premijų.

2012 m. atrandamas Higso bozonas (2013 m. įteikiama Nobelio premija
Peter Higgs
ir
François Englert
už teorinį numatymą).

Išnašos