Dalelių fizika

Šiam straipsniui ar jo daliai reikia daugiau nuorodų į patikimus šaltinius. Jūs galite padėti Vikipedijai įrašydami tinkamas išnašas ar nuorodas į patikimus šaltinius.

Šį puslapį ar jo dalį reikia sutvarkyti pagal Vikipedijos standartus – wikiteksto formatavimas, nuorodos į en-wiki ir kt. Jei galite, sutvarkykite.

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

Dalelės standartiniame modelyje.

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 ir 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.

Elementariosios dalelės

	Tipai	Kartos	Antidalelė	Spalva	Iš viso
Kvarkas	2	3	Pora	3	36
Leptonas			Pora	Nėra	12
Gliuonas	1	Nėra	Pats	8	8
Fotonas			Pats	Nėra	1
Z bozonas			Pats		1
W bozonas			Pora		2
Higsas			Pats		1
Iš viso (žinomų) elementariųjų dalelių:					61

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. 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).