Subatomske čestice

**Subatomske čestice** je pojam koji obuhvata sve čestice manje od atoma, bez obzira na njihovu složenost, dok bi izraz **[[elementarne čestice]]** trebalo da obuhvati samo čestice koje se ne mogu podeliti na manje.

Pored elektrona, protona i neutrona kao (materijalnih) čestica i fotona kao osnovnog kvanta energije, otkriveno je na stotine drugih čestica. Dugo se verovalo da su nove čestice elementarne t.j. da se ne mogu razložiti na prostije sastojke, ali se vremenom pokazalo da je najveći broj čestica složen. Uprkos tome, naziv elementarne čestice zadržao se, sada u novom, proširenom, značenju. Isto tako, drugi uobičajeni naziv, subatomske čestice, izveden iz činjenice da su nove čestice manje od atoma, strogo uzevši, nije ispravan, jer mase nekih čestica višestruko prevazilaze mase lakših hemijskih elemenata. Nazivi elementarne ili subatomske čestice zadržali su se do današnjih dana kao sinonimi za čestice bez obzira na njihovu složenost i masu.

## Historija
Elektron je prva elementarna čestica otkrivena pre više od 100 godina. DŽ. DŽ. Tomson je 1897. godine U eksperimentima sa katodnim zracima odredio naelektrisanje i masu elektrona. Usledila su, zatim, otkrića α-čestica (Raderford, 1899. g), protona (Raderford, 1919. g) i neutrona (Čedvik, 1931.). Tako su početkom tridesetih godina prošlog veka bili poznati osnovni sastojci materije, elektroni, protoni i neutroni. Međutim, mnoga pitanja su i dalje ostala otvorena: kakva je priroda jakih sila koje drže nukleone U jezgru? Kako to da je spektar elektrona prilikom β-raspada kontinualan? Postoje li antičestice koje predviđa Dirakova teorija? Svaka od ovih misterija na kraju je razrešena otkrićem još jedne nove čestice.

Da bi objasnio kontinualni spektar elektrona pri β-raspadu Pauli je pretpostavio postojanje neutralne čestice, neutrina, koja je ubrzo i eksperimentalno otkrivena. Anderson otkriva pozitron već 1932. godine, a otprilike U isto vreme Jukava predviđa postojanje nove čestice, piona, kao prenosioca sile među nukleonima u jezgru. Zaista, 1937. godine u kosmičkim zracima pronađena je čestica sa osobinama koje je predvideo Jukava, ali se deset godina kasnije ispostavilo da je ta nova čestica mion. Jukavin pion eksperimentalno je otkriven tek 1947. godine.

Posle pronalaska piona usledila su otkrića mezona K+, π0, K0, kao i hiperona Λ0. Razvoj akceleratora u ranim pedesetim godinama doveo je do “populacione eksplozije” čestica. U to doba pronađeni su barioni Δ, Σ±, Ξ-, Σ0, Ξ0, kao i antiproton i antineutron... U ranim šezdesetim godinama prošlog veka otkriveno je još mnoštvo mezona (ρ, ω, η, K*, φ, *f*, a2, i ηʹ) Uz još više bariona. Do danas je eksperimentalno opaženo preko 150 čestica.

Takvo mnoštvo čestica predstavljalo je pravu moru za istraživače (vest o otkriću mezona Rabi je prokomentarisao pitanjem “Ko je to poručio?”) što je podstaklo potragu za dubljom vezom međU njima. Kao kruna tih napora pojavio se model kvarka (koji su nezavisno predložili Gel-Man i Cvajg, 1964. godine) na kojem se zasniva “standardni model”. Standardni model je u saglasnosti sa svim do sada izvedenim eksperimentima.

Opažene čestice mogu se svrstati u dve osnovne klase — materijalne čestice i bozone polja. Materijalne čestice, se dele na leptone, mezone i barione, tablica:


**Tablica 1.1 Osnovne osobine i veza među česticama po standardnom modelu**

 Osnovne čestice materije 

     Naelektrisanje
     Prva generacija
     Druga generacija 
     Treća generacija
Leptoni 
   
 -1 
     elektron (e)
     mion (\mu )
     tauon (\tau) 
     plus antičestice 

 0 
      el. neutrino (\nu_e)
     \mu  neutrino (\nu_\mu)
     tau neutrino (\nu_\tau)
     plus antičestice

Kvarkovi
   
 2/3 
     u-kvark 
     c-kvark
     t-kvark
     plus antičestice

 −1/3 
     d-kvark
     s-kvark
     b-kvark
     plus antičestice

Bozoni polja   Sile  

 0  
       
     foton 
      
     elektromagnetna 
 0 
       
     gluoni (8 )  
      
     jaka sila
 +1, -1  
       
     W+,  W−  
      
     slaba sila  
 0 
       
     Z0  
      
     slaba sila


## Osnovne sile
Da bi se razumele osobine čestica, treba znati sile koje deluju među njima. Sve poznate interakcije mogu da se opišu preko delovanja četiri osnovne sile: gravitacione, nuklearne slabe, elektromagnetne i nuklearne jake sile. Pošto se silama mogu pridružiti odgovarajuća polja, u literaturi se, zavisno od konteksta, sreću nazivi osnovne sile (gravitaciona, slaba, elektromagnetna i jaka), osnovne interakcije (gravitaciona, slaba, elektromagnetna i jaka) ili osnovna polja (gravitaciono, slabo, elektromagnetno i jako).
Čestice međusobno mogu delovati jedna na drugu, izazivajući raspad ili reakciju, preko bilo koje od osnovnih sila. Gornja tablica pokazuje kojim silama čestice mogu delovati jedna na drugu. Sve čestice intereaguju gravitacionim i slabim silama. Manji deo intereaguje elektromagnetnom silom (recimo, neutrina su isključena iz elektromagnetne interakcije) a još manji broj čestica intereaguje jakom silom. Da bi jedna sila delovala izmedju čestica, svaka čestica pojedinačno mora biti podložna delovanju te sile. Na primer, proton učestvuje u jakoj interakciji, ali proton i elektron nikada ne intereaguju jakom silom. Elektron ne oseća jaku silu i sa protonom može da intereaguje samo delovanjem elektromagnetne ili slabe sile.

### Gravitaciona sila
Mada je izuzetno važna u svakodnevnom životu, gravitaciona sila među subatomskim česticama je zanemarljivo mala. Na primer, gravitaciona sila među protonima koji se u jezgru dodiruju je 10−38 deo jake sile koja deluje među njima. Glavna razlika između gravitacione i ostalih sila je kumulativno dejstvo i neograničeni domet gravitacije. Jaka i slaba nuklearna sila ne deluju van dimenzija nukleona, 10−15 m. Elektromagnetna sila nema kumulativni uticaj, zbog zaklanjanja pozitivnog naelektrisanja negativnim, mada je neograničenog dometa poput gravitacione. Pošto takvog zaklanjanja nema, gravitaciona sila raste sa porastom broja čestica i za masivne objekte (nebeska tela) i makroskopska rastojanja postaje preovlađujuća.

### Slaba sila
Slaba sila izaziva β-raspad i druge slične raspade subatomskih čestica. Ne igra začajnu ulogu u izgradnji atomskog jezgra. Slaba sila među protonima koji se dodiruju je 10−7 deo jake sile među njima i ima domet kraći od 10−18 m. Vrlo brzo opada sa rastojanjem. Kako se vidi iz tablice osnovnih interakcija sa porastom rastojanja za manje od dva reda veličine (sa 1 × 10−18 m na 30 × 10−18 m) slaba sila opada za četiri reda veličine (sa 0,8 na 10−4). Mada joj je domet znatno manji od dimenzija nukleona, slaba sila je važna za razumevanje osobina osnovnih čestica i nastanka i razvoja svemira.

### Elektromagnetna sila
Elektromagnetna sila je važna za strukturu i uzajamno delovanje osnovnih čestica. Neke čestice međusobno deluju, ili se raspadaju, isključivo preko elektromagnetnih interakcija. Elektromagnetna sila ima beskonačni domet, ali na makroskopskoj skali zaklanjanje umanjuje njen efekat. Mnoge uobičajene makroskopske sile (trenje, elastičnost, viskoznost) u krajnjoj liniji su elektromagnetne prirode. Elektromagnetna sila preovlađuje u atomu. u atomskom jezgru, elektromagnetna sila među protonima koji se dodiruju je 100 puta manja od jake sile. Međutim, unutar jezgra elektromagnetna sila deluje kumulativno, jer nema zaklanjanja naeletrisanjem suprotnog znaka. Kao posledica toga elektromagnetna interakcija može da dostigne veličinu jake sile i da u jednakoj meri utiče na stabilnost i strukturu jezgra.

### Jaka sila
Jaka sila, koja je ključna za izgradnju atomskog jezgra, ima preovlađujuću ulogu u reakcijama i raspadu najvećeg broja osnovnih čestica. Međutim, neke čestice (na primer elektroni) uopšte ne osećaju jaku silu. Jaka sila ima vrlo kratak domet, reda 10−15 m. Danas je prihvaćeno shvatanje da je nuklearna sila koja deluje između protona i neutrona, zapravo, preostala (rezidualna) jaka sila koja deluje između kvarkova, u potpunoj analogiji sa međumolekulskim silama koje deluju među neutralnim atomima i molekulima, a koje su preostale elektrostatičke interakcije među elektronima i atomskim jezgrima. Za razliku od drugih sila koje opadaju sa rastojanjem, jaka sila raste. Porastom jake sile sa rastojanjem među kvarkovima objašnjava se zašto ne može da se opazi slobodan kvark.

### Kvanti polja – prenosioci sile
Klasično gledano, sila se sa jedne čestice na drugu prenosi poljem. Na primer, u prostoru oko pozitivnog naelektrisanja obrazuje se električno polje koje prenosi privlačnu silu na negativno naelektrisanje koje se nalazi u blizini. Šta više, polje može da prenosi i energiju i impuls sa jedne materijalne čestice na drugu. Prema savremenoj teoriji polja, energija i moment polja su kvantirani i kvant koji prenosi jedinični iznos energije ili momenta naziva se čestica polja. Tako se svaka sila može predstaviti emisijom ili apsorpcijom čestice (bozona) koja prenosi interakciju. (Sve čestice polja imaju celobrojni spin, dakle, pokoravaju se Boze-Ajnštajnovoj raspodeli, pa se zato nazivaju i bozonima polja.) Na primer, elektromagnetna interakcija među česticama može da se predstavi emisijom i apsorpcijom fotona. Dakle, svakoj sili može da se pridruži odgovarajuće polje koje se prostire preko sopstvenih čestica polja. Slabi bozoni W± i Z0 učestvuju u procesima β-raspada jezgra. Na primer, β-raspad neutrona (vođen slabom interakcijom) može da se predstavi kao

: \hbox{n}\to \hbox{p}+W^- \to \hbox{p}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e

Zbog vrlo kratkog vremena života slabi bozon polja W- se brzo raspada na elektron i antineutrino. Jaku silu među česticama prenose gluoni, elementarne čestice koje se mogu detektovati samo posredno. Graviton, koji je predviđen na osnovu teorije gravitacije, još nije eksperimentalno opažen.

### Vreme delovanja i domet sila
Relativna jačina sile određuje njen domet i vremensku skalu na kojoj deluje. Bozoni, preko kojih se ostvaruje interakcija, su prividni (virtuelni) jer se, mada emitovani i absorbovani od materijalnih čestica, eksperimentalno ne mogu opaziti. Pošto se tokom interakcije bozon emituje i apsorbuje unutar sistema, na dugačkoj vremenskoj skali ne narušava se zakon o održanju energije. Međutim, u intervalu između emisije i apsorpcije bozona zakon o održanju energije izgleda da biva narušen jer izgleda kao da je bozon nastao ni iz čega. Dakle, postavlja se pitanje odakle energija za stvaranje virtuelnog bozona u izolovanom sistemu. Ovde se treba prisetiti Hajzenbergove relacije neodređenosti koja u obliku

:\Delta E \Delta t \ge \frac{\hbar}{2} 

daje vezu između neodređenosti energije, ΔE, i vremena, Δt. Dakle, Hajzenbergova relacija neodređenosti dopušta fluktuacije (odstupanja u okolini srednje vrednosti) energije pri čemu je veličina odstupanja, ΔE, obrnuto proporcionalna dužini intervala, Δt, u kojem je fluktuacija dopuštena. U vezi sa emisijom i apsorpcijom virtuelnih bozona, gornji izraz dopušta nastanak virtzelnog bozona, s tim što mu je vreme života, ΔtB, ograničeno sopstvenom energijom, ΔEB:

: \Delta t_B \leq \frac{\hbar}{2\Delta E_B} 

Dakle, virtuelni bozoni nastaju iz fluktuacija energije. Pošto je energija bozona proporcionalna jačini sile, iz izraza sledi da je interval u kojem sila deluje obrnuto proporcionalan njenoj jačini. Srednje vreme raspada je često signal za vrstu interakcije koja dovodi do pojave posmatranog procesa. Najbrži raspadi, često na skali od 10−23 s, ukazuju na delovanje jake sile. Treba uočiti da interval od 10−23 s odgovara vremenu potrebnom čestici sa nultom masom mirovanja da prevali rastojanje dimenzija bariona (10−15 m), t.j. vremenu potrebnom da gluon pređe sa jedne čestice na drugu.

Ako je reč o bozonima sa konačnom masom mirovanja, može se uzeti da je energija, ΔEB potrebna za stvaranje bozona mase mB data Ajnštajnovom relacijom

: \Delta E_B = m_B c^2 

gde je *c* brzina svetlosti. Zamenom psolednjeg u gornjem izrazu nalazimo vreme života bozona

: \Delta t_B \approx \frac{\hbar}{2 m_B c^2} 

a uzevši da se kreće brzinom bliskom brzini svetlosti, možemo proceniti put koji pređe u toku života, dakle, domet bozona, *d<sub>B</sub>*:

:  d_B = c \Delta t_B \approx \frac{\hbar}{2 m_B c} 

Pomoću ovog izraza Jukava je procenio masu mezona (piona, π) koji je nosilac preostale jake sile među nukeonima u atomskom jezgru. Znajući da je domet nuklearnih sila reda 10−15 m, dakle, dπ = 1 fm, preuređivanjem poslednjeg izraza nalazimo energiju mirovanja piona

: m_B c^2  \approx \frac{ \hbar c}{2 d_B} =\frac{0,197 GeV \cdot fm}{2 \cdot 1 fm} \approx 0,1 GeV

koja odgovara masi mirovanja od 100 MeV/c2. Ova vrednost prilično dobro se slaže sa eksperimentalno određenom masom piona, 139,6 MeV/c2.

## Familije čestica

Zbog brojnosti i raznovrsnosti subatomskih čestica korisno je svrstati ih u različite grupe i onda ispitivati sličnosti i razlike među čitavim grupama. Na primer, čestice se mogu grupisati na osnovu sila čijem su uticaju podložne kako je već pokazano u tablici 2.1. Drugi, još očigledniji, način za grupisanje čestica je na osnovu masa. Vrlo rano je uočeno da tri grupe čestica, lakše čestice (elektroni, mioni, neutrina, ...), teže (protoni, neutroni, ...) i srednje (pioni, kaoni, ...) imaju posebne osobine. Prvobitni nazivi tih grupa izvedeni su iz grčkih prideva lak (leptoni), srednji (mezoni) i težak (barioni), tablica 1.1. Mada je podela prema masama zastarela (u međuvremenu je pronađen lepton sa masom većom od mase protona ili neutrona) nazivi su zadržani da označe familije čestica sa sličnim, više ne masama, već drugim važnim osobinama. U svetlu prethodne klasifikacije (prema osnovnim silama) leptoni se razlikuju od mezona i bariona po tome što na njih ne deluje jaka sila. Tablica 1.1 pokazuje zbirno grupisanje čestica po familijama.

### Leptoni
Leptoni intereaguju samo posredstvom slabe i elektromagnetne sile. Nijedan do sada izveden eksperiment ne ukazuje na postojanje unutrašnje strukture leptona. Dakle, leptoni su zaista elementarne čestice koje se ne mogu rastaviti na još prostije sastojke. Nepostojanje unutrašnje strukture leptona u saglasnosti je sa sadašnjim teorijama koje leptone i kvarkove smatraju bezdimenzionalnim tačkastim česticama. Svi poznati leptoni imaju spin 1/2. Tablica 3.1 pokazuje šest poznatih leptona grupisanih U tri para čestica. Svaki par uključuje naelektrisanu česticu i odgovarajući neutrino (neutralnu česticu). Svaki lepton ima odgovarajuću antičesticu.

### Mezoni
Mezoni su vrlo reaktivne (nestabilne) čestice sa celobrojnim spinom, tablica 3.2. Mogu da nastanu i u reakcijama pod uticajem jake sile. Raspadaju se na druge mezone ili leptone pomoću jakih, elektromagnetnih ili slabih interakcija.

a Naelektrisanje i stranost odnose se na čestice. Vrednosti za antičestice imaju suprotan znak. Spin, masa mirovanja i srednje vreme života imaju iste vrednosti za česticu i njoj odgovarajuću antičesticu.

Pošto nisu opaženi u običnoj materiji, podela mezona na čestice i antičestice je prilično proizvoljna. Tako se za naelektrisane mezone uzima da je pozitivni mezon čestica, a negativni antičestica. Na primer, π+ mezon se smatra česticom, a π− njegovom antičesticom. Kod nekih neutralnih mezona, recimo η i π0, čestica i antičestica su identične, dok se kod drugih, recimo K0 i K0, čestica i antičestica međusobno razlikuju. Pošto su masa i stabilnost čestice i odgovarajuće antičestice jednaki, postojanje parova čestica-antičestica za čestice bez naelektrisanja jasno ukazuje da postoje i druge osobine, osim naelektrisanja, na osnovu kojih čestica i antičestica mogu da se razlikuju.

### Barioni
Barioni su čestice sa polucelim spinskim kvantnim brojem koje učestvuju u jakim interakcijama, tablica 3.3. Poput leptona, antičestice bariona različite su od odgovarajućih čestica. Slično mezonima, barioni mogu nastati u jakim interakcijama nukleona, a raspadaju se preko jake, elektromagnetne ili slabe interakcije.

a Naelektrisanje i stranost odnose se na čestice. Vrednosti za antičestice imaju suprotan znak. Spin, masa mirovanja i srednje vreme života imaju iste vrednosti za česticu i njoj odgovarajuću antičesticu.

## Literatura
* S. Jokić, SUBATOMSKA FIZIKA, Institut za nuklearne nauke Vinča, Beograd, 2000.
* S. Macura, J. Radić-Perić, ATOMISTIKA, Službeni list, Beograd, 2004., str 553.

## Videti
* Elementarne čestice

## Vanjske veze
* Standardni model na sajtu PustolovinaČestica.org
* Tablica čestica na sajtu PustolovinaČestica.org
* Organizacija za proučavanje čestica, Univerzitet u Kaliforniji
* Annotated Physics Encyclopædia: Quantum Field Theory
* Jose Galvez: Chapter 1 Electrodynamics (pdf)