Субатомске честице је појам који обухвата све честице мање од атома, без обзира на њихову сложеност, док би израз елементарне честице требало да обухвати само честице које се не могу поделити на мање.
Поред електрона, протона и неутрона као (материјалних) честица и фотона као основног кванта енергије, откривено је на стотине других честица. Дуго се веровало да су нове честице елементарне т.j. да се не могу разложити на простије састојке, али се временом показало да је највећи број честица сложен. Упркос томе, назив елементарне честице задржао се, сада у новом, проширеном, значењу. Исто тако, други уобичајени назив, субатомске честице, изведен из чињенице да су нове честице мање од атома, строго узевши, није исправан, јер масе неких честица вишеструко превазилазе масе лакших хемијских елемената. Називи елементарне или субатомске честице задржали су се до данашњих дана као синоними за честице без обзира на њихову сложеност и масу.
мини| Хијерархија субатомских честица
Историја Електрон је прва елементарна честица откривена пре више од 100 година. Џ. Џ. Томсон je 1897. године У експериментима са катодним зрацима одредио наелектрисање и масу електрона. Уследила су, затим, открића α-честица (Радерфорд, 1899. г), протона (Радерфорд, 1919. г) и неутрона (Чедвик, 1931). Тако су почетком тридесетих година прошлог века били познати основни састојци материје, електрони, протони и неутрони. Међутим, многа питања су и даље остала отворена: каква је природа јаких сила које држе нуклеоне У језгру? Како то да је спектар електрона приликом β-распада континуалан? Постоје ли античестице које предвиђа Диракова теорија? Свака од ових мистерија на крају је разрешена открићем још једне нове честице.
Да би објаснио континуални спектар електрона при β-распаду Паули је претпоставио постојање неутралне честице, неутрина, која је убрзо и експериментално откривена. Андерсон открива позитрон већ 1932. године, а отприлике У исто време Јукава предвиђа постојање нове честице, пиона, као преносиоца силе међу нуклеонима у језгру. Заиста, 1937. године у космичким зрацима пронађена је честица са особинама које је предвидео Јукава, али се десет година касније испоставило да је та нова честица мион. Јукавин пион експериментално је откривен тек 1947. године.
После проналаска пиона уследила су открића мезона К+, π0, К0, као и хиперона Λ0. Развој акцелератора у раним педесетим годинама довео је до “популационе експлозије” честица. У то доба пронађени су бариони Δ, Σ±, Ξ-, Σ0, Ξ0, као и антипротон и антинеутрон... У раним шездесетим годинама прошлог века откривено је још мноштво мезона (ρ, ω, η, К*, φ, f, а2, и ηʹ) Уз још више бариона. До данас је експериментално опажено преко 150 честица.
Такво мноштво честица представљало је праву мору за истраживаче (вест o открићу мезона Раби је прокоментарисао питањем “Ко је то поручио?”) што је подстакло потрагу за дубљом везом међу њима. Као круна тих напора појавио се модел кварка (који су независно предложили Гел-Ман и Цвајг, 1964. године) на којем се заснива “стандардни модел”. Стандардни модел је u сагласности са свим до сада изведеним експериментима.
Опажене честице могу се сврстати у две основне класе — материјалне честице и бозоне поља. Материјалне честице, се деле на лептоне, мезоне и барионе, таблица: <table> Таблица 1.1 Основне особине и веза међу честицама по стандардном моделу
Основне честице материје <tr style="background:#ffdddd;"> Наелектрисање Прва генерација Друга генерација Трећа генерација Лептони
-1 електрон (e) мион () тауон ( плус античестице
0 ел. неутрино () неутрино () тау неутрино () плус античестице
Кваркови
2/3 u-кварк c-кварк t-кварк плус античестице
−1/3 d-кварк s-кварк b-кварк плус античестице
<tr>Бозони поља Силе
0
фотон
електромагнетна 0
глуони (8 )
јака сила +1, -1
W+, W−
слаба сила 0
Z0
слаба сила
Основне силе
Да би се разумеле особине честица, треба знати силе које делују међу њима. Све познате интеракције могу да се опишу преко деловања четири основне силе: гравитационе, нуклеарне слабе, електромагнетне и нуклеарне јаке силе. Пошто се силама могу придружити одговарајућа поља, у литератури се, зависно од контекста, срећу називи основне силе (гравитациона, слаба, електромагнетна и јака), основне интеракције (гравитациона, слаба, електромагнетна и јака) или основна поља (гравитационо, слабо, електромагнетно и јако).
Честице међусобно могу деловати једна на другу, изазивајући распад или реакцију, преко било које од основних сила. Горња таблица показује којим силама честице могу деловати једна на другу. Све честице интереагују гравитационим и слабим силама. Мањи део интереагује електромагнетном силом (рецимо, неутрина су искључена из електромагнетне интеракције) а још мањи број честица интереагује јаком силом. Да би једна сила деловала између честица, свака честица појединачно мора бити подложна деловању те силе. На пример, протон учествује у јакој интеракцији, али протон и електрон никада не интереагују јаком силом. Електрон не осећа јаку силу и са протоном може да интереагује само деловањем електромагнетне или слабе силе.
+Таблица 2.1 Особине основних интеракција______Интеракција_____ГравитационаСлабаЕл. магнетнаЈакаЈака Гравитациона електро слаба основна резидуалнаДелује на: масу-енергију боју честице на које делује све све наелектрисане кваркови, хадрониЧестице преносиоци гравитони (још неопажени)W+ W− Z0γ(фотони) глуони мезониДомет неограничен10−3 fm неограничен1 fm1 fmВремена полураспада?> 10−10 s≈10−16 s≤ 10−20 sЈачина за два кварка на 10−18 m10−410,8125 не важи за кваркове на 3 ×10−17 m10−4110−4160 не важи за кварковеЈачина за двапротона у језгру 10−3610−71 не важи за хадроне20
Гравитациона сила
Мада је изузетно важна у свакодневном животу, гравитациона сила међу субатомским честицама је занемарљиво мала. На пример, гравитациона сила међу протонима који се у језгру додирују је 10-38 део јаке силе која делује међу њима. Главна разлика између гравитационе и осталих сила је кумулативно дејство и неограничени домет гравитације. Јака и слаба нуклеарна сила не делују ван димензија нуклеона, 10−15 м. Електромагнетна сила нема кумулативни утицај, због заклањања позитивног наелектрисања негативним, мада је неограниченог домета попут гравитационе. Пошто таквог заклањања нема, гравитациона сила расте са порастом броја честица и за масивне објекте (небеска тела) и макроскопска растојања постаје преовлађујућа.
Слаба сила
Слаба сила изазива β-распад и друге сличне распаде субатомских честица. Не игра значајну улогу у изградњи атомског језгра. Слаба сила међу протонима који се додирују је 10−7 део јаке силе међу њима и има домет краћи од 10−18 м. Врло брзо опада са растојањем. Како се види из таблице основних интеракција са порастом растојања за мање од два реда величине (са 1 × 10−18 м на 30 × 10−18 м) слаба сила опада за четири реда величине (са 0,8 на 10−4). Мада joj је домет знатно мањи од димензија нуклеона, слаба сила је важна за разумевање особина основних честица и настанка и развоја свемира.
Електромагнетна сила
Електромагнетна сила је важна за структуру и узајамно деловање основних честица. Неке честице међусобно делују, или се распадају, искључиво преко електромагнетних интеракција. Електромагнетна сила има бесконачни домет, али на макроскопској скали заклањање умањује њен ефекат. Многе уобичајене макроскопске силе (трење, еластичност, вискозност) у крајњој линији су електромагнетне природе. Електромагнетна сила преовлађује у атому. у атомском језгру, електромагнетна сила међу протонима који се додирују је 100 пута мања од јаке силе. Међутим, унутар језгра електромагнетна сила делује кумулативно, јер нема заклањања наелетрисањем супротног знака. Као последица тога електромагнетна интеракција може да достигне величину јаке силе и да у једнакој мери утиче на стабилност и структуру језгра.
Јака сила
Јака сила, која је кључна за изградњу атомског језгра, има преовлађујућу улогу у реакцијама и распаду највећег броја основних честица. Међутим, неке честице (на пример електрони) уопште не осећају јаку силу. Јака сила има врло кратак домет, реда 10−15 м. Данас је прихваћено схватање да је нуклеарна сила која делује између протона и неутрона, заправо, преостала (резидуална) јака сила која делује између кваркова, у потпуној аналогији са међумолекулским силама које делују међу неутралним атомима и молекулима, а које су преостале електростатичке интеракције међу електронима и атомским језгрима. За разлику од других сила које опадају са растојањем, јака сила расте. Порастом јаке силе са растојањем међу кварковима објашњава се зашто не може да се опази слободан кварк.
Кванти поља – преносиоци силе
Класично гледано, сила се са једне честице на другу преноси пољем. На пример, у простору око позитивног наелектрисања образује се електрично поље које преноси привлачну силу на негативно наелектрисање које се налази у близини. Шта више, поље може да преноси и енергију и импулс са једне материјалне честице на другу. Према савременој теорији поља, енергија и момент поља су квантирани и квант који преноси јединични износ енергије или момента назива се честица поља. Тако се свака сила може представити емисијом или апсорпцијом честице (бозона) која преноси интеракцију. (Све честице поља имају целобројни спин, дакле, покоравају се Бозе-Ајнштајновој расподели, па се зато називају и бозонима поља.) На пример, електромагнетна интеракција међу честицама може да се представи емисијом и апсорпцијом фотона. Дакле, свакој сили може да се придружи одговарајуће поље које се простире преко сопствених честица поља. Слаби бозони W± и Z0 учествују у процесима β-распада језгра. На пример, β-распад неутрона (вођен слабом интеракцијом) може да се представи као
Због врло кратког времена живота слаби бозон поља W- се брзо распада на електрон и антинеутрино. Јаку силу међу честицама преносе глуони, елементарне честице које се могу детектовати само посредно. Гравитон, који је предвиђен на основу теорије гравитације, још није експериментално опажен.
+Таблица 2.2 Кванти поља јаке, електромагнетне и слабе интеракције Квант пољаСимболСпин (ℏ)Маса мировања (GeV/c2)Средње време живота (s)Типични распадиГлуонg10Фотонγ1< 6 × 10−25СтабиланW-бозонW±180,223,2 × 10−25e + ν, μ + ν, τ + ν, q + (хадрони)Z-бозонZ0191,1872,6 × 10−25e+ + e−, μ+ + μ−, τ+ + τ−, q + q
Време деловања и домет сила Релативна јачина силе одређује њен домет и временску скалу на којој делује. Бозони, преко којих се остварује интеракција, су привидни (виртуелни) јер се, мада емитовани и апсорбовани од материјалних честица, експериментално не могу опазити. Пошто се током интеракције бозон емитује и апсорбује унутар система, на дугачкој временској скали не нарушава се закон o одржању енергије. Међутим, у интервалу између емисије и апсорпције бозона закон o одржању енергије изгледа да бива нарушен јер изгледа као да је бозон настао ни из чега. Дакле, поставља се питање одакле енергија за стварање виртуелног бозона у изолованом систему. Овде се треба присетити Хајзенбергове релације неодређености која у облику
даје везу између неодређености енергије, ΔE, и времена, Δt. Дакле, Хајзенбергова релација неодређености допушта флуктуације (одступања у околини средње вредности) енергије при чему је величина одступања, ΔE, обрнуто пропорционална дужини интервала, Δt, у којем је флуктуација допуштена. У вези са емисијом и апсорпцијом виртуелних бозона, горњи израз допушта настанак виртуелног бозона, с тим што му је време живота, ΔtB, ограничено сопственом енергијом, ΔEB: