Põhimõtteliste, jagamatute osakeste mõiste ulatub tagasi iidsed kreeklased (mõiste, mida nimetatakse "atomismiks"). 20. sajandil hakkasid füüsikud uurima aine liikumist kõige väiksematel ainetasanditel ja nende kõige jahmatavamate tänapäevaste avastuste hulgas oli erinevate osakeste hulk universumis. Kvantfüüsika ennustab 18 tüüpi elementaarosakeste tüüpi ja 16 on juba eksperimentaalselt tuvastatud. Elementaarosakeste füüsika eesmärk on leida allesjäänud osakesed.
Standardmudel
Kaasaegse füüsika keskmes on osakeste füüsika standardmudel, mis liigitab elementaarsed osakesed mitmesse rühma. Selles mudelis kolm neli füüsika põhijõud kirjeldatakse koos gabariidibosonitega osakesi, mis neid jõude vahendavad. Ehkki raskusjõud pole standardses mudelis tehniliselt hõlmatud, teevad teoreetilised füüsikud tööd mudeli laiendamiseks, et hõlmata ja ennustada a gravitatsiooni kvantteooria.
Kui näib, et osakestefüüsikud naudivad ühte asja, on see osakeste jagamine rühmadesse. Elementaarsed osakesed on mateeria ja energia väikseimad koostisosad. Nii palju kui teadlased oskavad öelda, ei paista, et need oleksid valmistatud ühegi väiksema osakese kombinatsioonist.
Asja ja jõudude murdmine
Kõik füüsika elementaarsed osakesed klassifitseeritakse kas fermioonid või bosonid. Kvantfüüsika näitab, et osakestel võib olla sisemine nullist erinev "spinn" või nurkne hoog, nendega seotud.
Fermion (oma nime saanud Enrico Fermi) on poole täisarvuga spinniga osake, boson (nimetatud Satyendra Nath Bose järgi) on täisarvuga või täisarvuga osakesega osake. Nende keerutuste tulemuseks on konkreetsetes olukordades erinevad matemaatilised rakendused. Arvu- ja täisarvude liitmise lihtne matemaatika näitab järgmist:
- Paaritu arvu fermioonide kombineerimine annab fermioni, kuna kogu spinn on ikkagi poole täisarvuline väärtus.
- Paarisarvu fermioonide kombineerimine annab bosoni, kuna kogu keerutuse tulemuseks on täisarv.
Fermioonid
Fermioonidel on osakeste spinn võrdne poole täisarvu väärtusega (-1/2, 1/2, 3/2 jne). Need osakesed moodustavad asja, mida me oma universumis jälgime. Aine kaks põhikomponenti on kvargid ja leptonid. Mõlemad subatomilised osakesed on fermioonid, nii et kõik bosonid luuakse nende osakeste ühtlasest kombinatsioonist.
Kvargid on ferrooni klass, mis moodustab hadrone, näiteks prootonid ja neutronid. Kvargid on põhiosakesed, mis interakteeruvad kõigi nelja füüsika põhijõu kaudu: gravitatsioon, elektromagnetism, nõrk ja tugev koostoime. Kvargid eksisteerivad alati kombinatsioonis, moodustades subtoomilisi osakesi, mida nimetatakse hadroniteks. On kaks erinevat tüüpi kvarki:
- Altpoolt varju
- Kummaline varitsus
- Alla Quark
- Parim kvarkk
- Charm Quark
- Üles Quark
Leptonid on teatud tüüpi põhiosakesed, millel puudub tugev koostoime. Leptoni sorte on kuus:
- Elektron
- Elektronneutrino
- Muon
- Muon Neutrino
- Tau
- Tau Neutrino
Leptoni (elektroni, müoni ja tau) kõik kolm "maitset" koosnevad "nõrgast dubletist", ülalmainitud osakestest koos praktiliselt massitu neutraalse osakesega, mida nimetatakse neutriino. Seega on elektronide lepton elektronide ja elektronide neutriino nõrk dublett.
Bosonid
Bossonite osakeste spinn on võrdne täisarvuga (täisarvud nagu 1, 2, 3 ja nii edasi). Need osakesed vahendavad füüsika põhijõude kvantväljade teooriate alusel.
- Foton
- W Boson
- Z Boson
- Gluon
- Higgs Boson
- Graviton
Komposiitosakesed
Hadronid on osakesed, mis koosnevad mitmest omavahel seotud kvarkist, nii et nende spin on väärtus täisarvuni. Hadronid jagunevad mesoonid (mis on bosonid) ja barüoonid (mis on fermioonid).
- Mesonid
- Baryonid
- Tuumad
- Hüperoonid: kummalistest kvarkadest koosnevad lühiajalised osakesed
Molekulid on keerulised struktuurid, mis koosnevad mitmest omavahel ühendatud aatomist. Aine aatomite põhiline keemiline ehitusplokk koosneb elektronidest, prootonitest ja neutronitest. Prootonid ja neutronid on nukleonid, tüüpi baroonid, mis koos moodustavad komposiitosakese, mis on aatomi tuum. Uuring, kuidas aatomid seostuvad, moodustades erinevaid molekulaarseid struktuure, on tänapäevase alus keemia.
Tahkete osakeste klassifikatsioon
Osakeste füüsikas võib olla raske kõiki nimesid sirgena hoida, seega võiks abi olla loomade maailmas, kus selline struktureeritud nimetamine võiks olla tuttavam ja intuitiivsem. Inimesed on primaadid, imetajad ja ka selgroogsed. Samamoodi on prootonid nukleonid, baroonid, hadronid ja ka fermioonid.
Õnnetu erinevus seisneb selles, et terminid kõlavad üksteisega sarnaselt. Näiteks bosoonide ja baroonide segadusse ajamine on palju lihtsam kui primaatide ja selgrootute segamini ajamine. Ainus viis nende osakeste rühmade lahus hoidmiseks on neid hoolikalt uurida ja proovida olla ettevaatlik, millist nime kasutatakse.
Toimetanud Anne Marie Helmenstine, Ph.