Elementêre deeltjie

In deeltjiefisika is 'n elementêre deeltjie of fundamentele deeltjie 'n subatomiese deeltjie wat nie uit ander deeltjies bestaan nie. Die Standaardmodel erken tans 17 onderskeie deeltjies: 12 fermione en 5 bosone. As gevolg van geur- en kleurkombinasies en antimaterie, is dit bekend dat die fermione en bosone onderskeidelik 48 en 13 variasies het. Onder die 61 elementêre deeltjies wat deur die Standaardmodel ingesluit word, tel elektrone en ander leptone, kwarke en die elementêre bosone. Subatomiese deeltjies soos protone of neutrone, wat twee of meer elementêre deeltjies bevat, staan bekend as saamgestelde deeltjies.

Gewone materie bestaan uit atome, wat self eens as ondeelbare elementêre deeltjies beskou is. Die term "atoom" kom van die Oud-Griekse woord ἄτομος atomos, wat "ondeelbaar" beteken. Ondanks die teorieë oor atome wat duisende jare lank bestaan het, het die feitelike bestaan van atome tot in 1905 omstrede gebly. In daardie jaar het Albert Einstein sy artikel oor Brownse beweging gepubliseer, wat teorieë beëindig het wat molekules as wiskundige illusies beskou het. Einstein het daarna materie geïdentifiseer as uiteindelik saamgestel uit verskeie konsentrasies van energie.

Die subatomiese bestanddele van die atoom is vir die eerste keer teen die einde van die 19de eeu geïdentifiseer. Dit het begin met die ontdekking van die elektron, gevolg deur die proton in 1919, die foton in die 1920's en die neutron in 1932. Teen dié tyd het die opkoms van kwantummeganika die definisie van 'n "deeltjie" radikaal verander deur 'n begrip voor te stel waarin hulle gelyktydig as materiegolwe bestaan het.

Sedert die opstelling van die Standaardmodel in die 1970's is baie teoretiese verwerkings daarvan gedoen. Dit sluit konsepte van supersimmetrie in, wat die getal elementêre deeltjies verdubbel het deur te hipotetiseer dat elke bekende deeltjie 'n "skadu"-maat met 'n baie groter massa het.

Sulke supermaats bly egter steeds onontdek, soos die graviton, 'n bykomende elementêre boson wat vermoedelik swaartekrag bemiddel.

Oorsig
Volgens die Standaardmodel is alle elementêre deeltjies óf bosone óf fermione (na gelang van hulle spin). Die deeltjies wat gewoonlik met materie verbind word, is fermione. Hulle het ’n halftallige spin en word verdeel in 12 aromas. Deeltjies wat verbind word met die vier basiese natuurkragte is bosone en hulle het ’n heeltallige spin.

’n Boson wat van die groter familie Higgsbosone kan wees, was teen Julie 2012 die laaste deeltjie wat waarskynlik ontdek is. Hoewel die Standaardmodel uiters suksesvol is, word dit beperk deur die weglating van swaartekrag en is 'n paar parameters lukraak, sonder verduideliking, bygevoeg..

Kosmiese omvang van elementêre deeltjies
Volgens die huidige modelle van Groot Knal-nukleosintese behoort die oersamestelling van sigbare materie in die heelal ongeveer 75% waterstof en 25% helium-4 (in massa) te wees. Neutrone bestaan uit een op- en twee afkwarke, terwyl protone uit twee op- en een afkwark bestaan. Aangesien ander algemene elementêre deeltjies (soos elektrone, neutrino's of swak bosone) óf baie lig óf baie skaars is in vergelyking met atoomkerne, kan ons hulle massabydrae tot die totale massa van die waarneembare heelal ignoreer. Daarom kan 'n mens aflei dat die meeste van die sigbare massa van die heelal uit protone en neutrone bestaan, wat, soos alle barione, op hul beurt uit op- en afkwarke bestaan.

Sommige beramings dui daarop dat daar ongeveer  barione (byna alles protone en neutrone) in die waarneembare heelal is.Die getal protone in die waarneembare heelal staan bekend as die Eddingtongetal.

Wat die getal deeltjies betref, dui sommige beramings daarop dat byna al die materie, uitgesluit donker materie, in neutrino's voorkom, wat die meerderheid uitmaak van die ongeveer  elementêre deeltjies van materie wat in die sigbare heelal bestaan. Ander beramings dui daarop dat daar ongeveer  elementêre deeltjies in die sigbare heelal bestaan (sonder om donker materie in te sluit), meestal fotone en ander massalose kragdraers.

Standaardmodel

Die Standaardmodel van deeltjiefisika bevat 12 geure van elementêre fermione, plus hul ooreenstemmende antideeltjies, sowel as elementêre bosone wat die basiese natuurkragte bemiddel en die Higgsboson, wat op 4 Julie 2012 aangemeld is as waarskynlik opgespoor deur die twee belangrikste eksperimente by die Groot Hadronversneller en Compact Muon Solenoid.

Die Standaardmodel word egter wyd beskou as 'n voorlopige teorie eerder as 'n werklik fundamentele een, aangesien dit nie bekend is of dit versoenbaar is met Einstein se algemene relatiwiteitsteorie nie. Daar kan hipotetiese elementêre deeltjies wees wat nie deur die Standaardmodel beskryf word nie, soos die graviton, die deeltjie wat die swaartekrag sou dra, en S-deeltjies, supersimmetriese maats van die gewone deeltjies.

Fermione
Generasies
+ Deeltjiegenerasies Leptone Eerste generasie Tweede generasie Derde generasieNaam  Simbool  Naam  Simbool  Naam  Simbool elektron    muon    tau   elektronneutrino    muonneutrino   tauneutrino   Kwarke Eerste generasie Tweede generasie Derde generasie opkwark    sjarmekwark  c  bokwark   afkwark    vreemdkwark    onderkwark 

Massa
Die volgende tabel lys die huidige gemete massa en massaraming van al die fermione met dieselfde meeteenheid: miljoene elektronvolts relatief tot die kwadraat van die ligsnelheid (MeV/c2).

Die akkuraatste bekende kwarkmassa is byvoorbeeld dié van die topkwark teen .

+ Huidige waardes vir die massa van fermione Deeltjiesimbool Deeltjienaam Massawaarde Kwarkmassaramingskema , ,  Neutrino(enige tipe) <   Elektron   Opkwark  MS-bar-skema ( = )  Afkwark  MS-bar-skema ( = )  Vreemdkwark  MS-bar-skema ( = )  Muon(mulepton)   Sjarmekwark  MS-bar-skema ( = c)  Tauon (taulepton)   Onderkwark  MS-bar-skema ( = b)  Bokwark 

Ramings van kwarkmassas hang af van die weergawe van kwantumchromodinamika wat gebruik word om kwarkwisselwerkings te beskryf. Kwarke is altyd opgesluit in 'n omhulsel van gluone wat 'n baie groter massa aan die mesone en barione gee waarin kwarke voorkom, en daarom kan kwarkmassas nie direk gemeet word nie. Aangesien hulle massa so klein is in vergelyking met die effektiewe massa van die omliggende gluone, kan klein verskille in die berekening groot verskille in die massa veroorsaak.

Antideeltjies
Daar is ook 12 fermioniese antideeltjies wat met die 12 fermione ooreenstem. Die elektron het byvoorbeeld ’n antideeltjie met die naam anti-elektron, of positron (), met ’n elektriese lading van +1.

+ Deeltjiegenerasies Antileptone Eerste generasie Tweede generasie Derde generasieNaam  Simbool  Naam  Simbool  Naam  Simbool positron    antimuon    antitau   elektron-antineutrino    muon-antineutrino   tau-antineutrino   Antikwarke Eerste generasie Tweede generasie Derde generasie op-antikwark    sjarme-antikwark    bo-antikwark   af-antikwark    vreemd-antikwark      onder-antikwark 

Kwarke

Geïsoleerde kwarke en antikwarke is nog nooit opgespoor nie, 'n feit wat deur kleurbinding verklaar word. Elke kwark het een van drie kleurladings van die sterk wisselwerking; antikwarke het 'n teenoorgestelde kleur. Kleurgelaaide deeltjies het 'n wisselwerking deur gluon-uitruiling op dieselfde manier as wat gelaaide deeltjies deur fotone 'n wisselwerking het. Gluone is self kleurgelaai, wat daartoe lei dat die sterk krag versterk word namate kleurgelaaide deeltjies van mekaar geskei word. Anders as die elektromagnetiese krag, wat afneem namate gelaaide deeltjies skei, ervaar kleurgelaaide deeltjies 'n toenemende krag.

Nietemin kan kleurgelaaide deeltjies kombineer om kleurneutrale saamgestelde deeltjies genaamd hadrone te vorm. ’n Kwark kan met ’n antikwark 'n paar vorm: Die kwark het ’n kleur en die antikwark het die ooreenstemmende kleur (teenkleur). Die kleur en teenkleur kanselleer mekaar uit, wat ’n kleurneutrale meson vorm. Alternatiewelik kan drie kwarke saam bestaan, een kwark is "rooi", ’n ander "blou" en ’n ander "groen". Hierdie drie gekleurde kwarke vorm saam ’n kleurneutrale barion. Simmetries kan drie antikwarke met die kleure "antirooi", "antiblou" en "antigroen" ’n kleurneutrale antibarion vorm.

Kwarke het ook fraksionele elektriese ladinge, maar aangesien hulle binne hadrone opgesluit is, waarvan die ladings almal heelgetalle is, is fraksionele ladings nog nooit geïsoleer nie. Let daarop dat kwarke elektriese ladings van óf  e óf  e het, terwyl antikwarke ooreenstemmende elektriese ladings van óf  e óf  e het.

Bewyse vir die bestaan van kwarke kom uit onelastiese verstrooiing: deur elektrone op atoomkerns af te vuur om die verspreiding van lading binne nukleone (wat barione is) te bepaal. As die lading eweredig versprei is, behoort die elektriese veld rondom die proton eenvormig te wees en die elektron behoort elasties te verstrooi. Lae-energie-elektrone verstrooi inderdaad op hierdie manier, maar bo 'n sekere energie buig protone sommige elektrone teen groot hoeke af. Die terugstuitende elektron het veel minder energie, en 'n straal deeltjies word uitgestraal. Hierdie onelastiese verstrooiing dui daarop dat die lading in die proton nie eenvormig is nie, maar in kleiner gelaaide deeltjies, naamlik kwarke, verdeel is.

Fundamentele bosone
In die Standaardmodel bemiddel vektorbosone (spin -1) (gluone, fotone en die W- en Z-bosone) kragte, terwyl die Higgsboson (spin 0) verantwoordelik is vir die massa van deeltjies. Bosone verskil van fermione deurdat veelvuldige bosone dieselfde kwantumtoestand kan beset (Pauli-uitsluitingsbeginsel). Bosone kan ook óf elementêr wees, soos fotone, óf 'n kombinasie, soos mesone. Die spin van bosone is heeltallig in plaas van halftallig.

Gluone
Gluone bemiddel die sterk wisselwerking, wat kwarke saambind en sodoende hadrone vorm, wat óf barione (drie kwarke) óf mesone (een kwark en een antikwark) is.Seksie 6.1. in Protone en neutrone is barione wat deur gluone verbind word om die atoomkern te vorm. Soos kwarke toon gluone ook kleur en antikleur – wat nie verband hou met visuele kleur nie, maar eerder met die deeltjies se sterk wisselwerkings – soms in kombinasies, wat altesaam agt variasies van gluone tot gevolg het.

Elektroswak bosone
Daar is drie swak bosone: W+, W-, en Z0; hulle bemiddel die swak wisselwerking. Die W-bosone is bekend vir hulle rol in kernverval: Die W- verander 'n neutron in 'n proton en verval dan in 'n elektron en 'n elektron-antineutrino-paar.

Die Z0 verander nie die deeltjie se geur of lading nie, maar verander eerder momentum; dit is die enigste meganisme vir die elastiese verstrooiing van neutrino's. Die swak bosone is ontdek deur die verandering in momentum van elektrone as gevolg van neutrino-Z-uitruiling.

Die massalose foton bemiddel die elektromagnetiese wisselwerking. Hierdie vier bosone vorm saam die elektroswak wisselwerking tussen elementêre deeltjies.

Higgsboson

Alhoewel die swak en elektromagnetiese kragte by alledaagse energieë baie verskillend voorkom, word daar geteoretiseer dat hierdie twee kragte by hoë energieë as 'n enkele elektroswak krag verenig. Hierdie voorspelling is duidelik bevestig deur metings van die deursnee van hoë-energie-elektron-proton-verstrooiing by die HERA-deeltjieversneller by die  Deutsches Elektronen-Synchrotron.

Die verskille by lae energieë is 'n gevolg van die groot massas van die W- en Z-bosone, wat op hulle beurt 'n gevolg is van die Higgsmeganisme. Deur die proses van spontane simmetriebreking kies die Higgs 'n spesiale rigting in die elektroswak ruimte, wat veroorsaak dat drie elektroswak deeltjies baie swaar word (die swak bosone) en een sonder 'n gedefinieerde rusmassa bly omdat dit altyd in beweging is (die foton).

Op 4 Julie 2012, ná baie jare van eksperimentele soektogte na bewyse van sy bestaan, is die Higgsboson by die Groot Hadronversneller waargeneem. Peter Higgs, wat die bestaan van die Higgs-boson die eerste keer voorgestel het, was teenwoordig tydens die aankondiging. 

Die Higgsboson het vermoedelik 'n massa van sowat . Die statistiese betekenisvolheid van hierdie ontdekking is gerapporteer as 5 sigma, wat 'n sekerheid van ongeveer 99,99994% impliseer. In deeltjiefisika is dit die vlak van betekenisvolheid wat vereis word om eksperimentele waarnemings amptelik as 'n ontdekking te klassifiseer. Navorsing oor die eienskappe van die nuut ontdekte deeltjie duur voort.

In die media is die Higgsboson dikwels die "Goddeeltjie" genoem na aaleiding van die boek The God Particle deur Leon Lederman. Die naam is deur fisici gekritiseer, ook deur Peter Higgs.

Graviton
Die graviton is 'n hipotetiese elementêre deeltjie met 'n spin van 2 wat voorgestel is as die kragdraer van swaartekrag. Hoewel dit nog nie ontdek is nie omdat dit moeilik is om op te spoor, word dit soms ingesluit in tabelle van elementêre deeltjies. Die konvensionele graviton het geen massa nie, hoewel swaar gravitone volgens sommige modelle bestaan.

Verder as die Standaardmodel
Hoewel eksperimentele bewyse die voorspellings wat van die Standaardmodel afgelei is oorweldigend bevestig, is sommige van die parameters arbitrêr bygevoeg en nie deur 'n spesifieke verklaring bepaal nie. Teorieë verder as die Standaardmodel probeer dié tekortkominge oplos.

Groot vereniging
Een uitbreiding van die Standaardmodel probeer om die elektromagnetiese, swak en  sterk wisselwerking te kombineer in 'n enkele "groot verenigingsteorie". So 'n krag sou deur spontane simmetriebreking deur 'n Higgsagtige meganisme in die drie kragte opgebreek word. Hierdie opbreking sal vermoedelik by hoë energieë plaasvind, wat dit moeilik maak om vereniging in 'n laboratorium waar te neem. Die dramatiesste voorspelling van groot vereniging is die bestaan van X- en Y-bosone, wat protonverval veroorsaak.

Supersimmetrie

Supersimmetrie brei die Standaardmodel uit deur 'n bykomende klas simmetrieë by te voeg wat fermioniese deeltjies met bosoniese deeltjies uitwissel. So 'n simmetrie voorspel die bestaan van supersimmetriese deeltjies, afgekort as S-deeltjies, wat die sleptone, skwarke, neutralino's en chargino's insluit. Elke deeltjie in die Standaardmodel sou 'n supermaat hê waarvan die spil met  verskil van die gewone deeltjie. As gevolg van die supersimmetriebreking is die S-deeltjies baie swaarder as hul gewone eweknieë; hulle is so swaar dat bestaande deeltjieversnellers nie kragtig genoeg sou wees om hulle te produseer nie. Sommige fisici glo dat S-deeltjies deur die Groot Hadronversneller by CERN opgespoor sal word.

Snaarteorie

Die Snaarteorie is 'n model in die fisika waarvolgens alle "deeltjies" waaruit materie bestaan, saamgestel is uit snare (wat by die Planckskaal gemeet word) wat bestaan in 'n 11- of 12-dimensionele heelal. Dié snare vibreer teen verskillende frekwensies wat massa, elektriese lading, kleurlading en spin bepaal. 'n "Snaar" kan oop wees (’n lyn) of gesluit in ’n lus (’n een-dimensionele sfeer, dit wil sê 'n sirkel). 

Die Snaarteorie voorspel 1- tot 10-brane (waar 'n "braan" 'n snaar is en 'n 10-braan 'n 10-dimensionele voorwerp) wat skeure in die "weefsel" van die ruimte voorkom deur middel van die onbepaaldheidsbeginsel (byvoorbeeld, die elektron wat om 'n waterstofatoom wentel, het 'n waarskynlikheid, al is dit klein, dat dit op enige oomblik op enige ander plek in die heelal kan wees).

Die Snaarteorie stel voor ons heelal is bloot 'n 4-braan, waarin die drie ruimtedimensies en een tyddimensie wat ons waarneem, bestaan. Die oorblywende 7 teoretiese dimensies is óf baie klein en opgerol (en dus te klein om makroskopies toeganklik te wees) óf bestaan eenvoudig nie in ons heelal nie (omdat hulle deel is van 'n groter struktuur genaamd die "multiversum" buite ons bekende heelal).

Sommige voorspellings van die Snaarteorie sluit in die bestaan van uiters swaar eweknieë van gewone deeltjies as gevolg van vibrasie-opwekkings van die fundamentele snaar, asook die bestaan van 'n massalose spin 2-deeltjie wat soos die graviton optree.

Technicolor
Technicolor-teorieë probeer om die Standaardmodel op 'n minimale manier te wysig deur 'n nuwe kwantumchromodinamika-agtige interaksie in te voer. Dit beteken dat 'n nuwe teorie van sogenaamde Techni-kwarke bygevoeg word, wat deur sogenaamde Techni-kluone met mekaar in wisselwerking tree. Die hoofidee is dat die Higgsboson nie 'n elementêre deeltjie is nie, maar 'n gebonde toestand van dié voorwerpe.

Preonteorie
Volgens die preonteorie is daar een of meer vlakke van deeltjies wat meer fundamenteel is as dié (of die meeste van dié) wat in die Standaardmodel voorkom. Die mees fundamentele van hierdie deeltjies word gewoonlik preone genoem, 'n term afgelei van "pre-kwarke". In wese probeer die preonteorie vir die Standaardmodel doen wat die Standaardmodel vir die sogenaamde "deeltjiedieretuin" gedoen het wat dit voorafgegaan het.

Die meeste modelle neem aan dat byna alles in die Standaardmodel verklaar kan word in terme van drie tot ses meer fundamentele deeltjies en die reëls wat hulle interaksies beheer. Belangstelling in preone het afgeneem sedert die eenvoudigste modelle in die 1980's eksperimenteel uitgeskakel is.

Akseleron-teorie
Akselerone is die hipotetiese elementêre deeltjies wat die nuutgevonde massa van die neutrino intrinsiek verbind met die donker energie wat vermoedelik die uitdying van die heelal versnel.

In hierdie teorie word neutrino's beïnvloed deur 'n nuwe krag wat voortspruit uit hulle interaksies met akselerone, wat tot donker energie lei. Donker energie ontstaan omdat die heelal probeer om neutrino's van mekaar af weg te trek. Daar word vermoed akselerone tree minder gereeld met materie in wisselwerking as met neutrino's.

Sien ook
 Deeltjiefisika
 Standaardmodel

Verwysings

Nog leesstof
Algemeen











Handboeke

  An undergraduate text for those not majoring in physics.




Skakels



Kategorie:Kwantummeganika
Kategorie:Subatomiese deeltjies