Partikkelfysikk - Teori (2FY)

Rutherford viste med sine forsøk at atomets positive ladning var samla i ein liten klump som han kalla kjernen. Seinare forsto ein at også kjernen kunne brytast opp. Naturlig radioaktiv stråling er utsending av små bitar av kjernen. Men med forbetra eksperimentelle metodar klarte ein snart å produsera mange andre typar bitar. Studiet av disse småbitane kallast partikkelfysikk. Det handlar om å forstå materiens innerste vesen. Til hjelp har partikkelfysikarane det mest avanserte og kraftige ustyr som vitenskapen rår over. Her skal vi sjå litt på kva dei har funne ut.

Kva er ein fundamental- eller elementærpartikkel?

Sidan Demokrit vi hatt ideen om at det fins ein minste byggestein, noko som ikkje kan delast opp i andre, men som all materie er bygd opp av. Disse minste byggesteinane kallar vi elementærpartiklar, eller fundamentale partiklar. Betydningen av dette ligg nær den opprinneligelige betydningen av Demokrits "atom". Fysikarane trudde jo at atomet var udelelig, men Rutherford viste at atomet hadde indre struktur, nemlig ei kjerne med elektroner rundt. Vi kan definera begrepet elementærpartiklar som ein partikkel som ikkje har ein indre struktur. Men dette betyr ikkje at det som vi i dag kallar elementærpartiklar ikkje kan visa seg å ha indre struktur. Det betyr bare at så langt vi veit har dei det ikkje. På 1930 talet vart elektronet, protonet og nøytronet kalt elementærpartiklar, men i dag veit vi at både protoner og nøytroner er bygd opp av kvarkar, mens elektronet fremdeles ser ut til å vera uten indre struktur. Elektroner tilhøyrer ei gruppe partiklar som kallast leptoner. I dag kallar vi altså kvarkar og leptoner for elementærpartiklar, men om dei skulle visa seg å ha ein indre struktur, så er det som disse evt. er bygd opp av som får merkelappen elementærpartiklar. Dei partiklane som ikkje er elementærpartiklar, dvs. som er samansette partiklar, har fått navnet hadroner

Standardmodellen

Elementary particles and the three families of matter

I moderne teori, kjent som standardmodellen, er det 12 fundamentale partikkel-typar, og deira korresponderande antipartiklar. Ein antipartikkel er ein partikkel med same masse og spinn, men med motsett elektrisk (+ andre typar) ladning.

Partiklar kan kategoriserast etter kva krefter som virkar på dei, og kva egenskaper dei har. Viktigast er masse, men det fins fleire såkalte kvantetal som karakteriserer partiklane. Vi deler altså elementærpartiklane i to klassane, kvarkar og leptoner. Kvarkar blir påvirka av den sterke kjernekrafta (+ alle andre typar krefter), mens leptonene ikkje blir det. Det er seks partiklar i kvar klasse, og seks tilsvarande antipartiklar. Vi kan også dela partiklane opp i tre familier som vist på figuren. Den første familien, dvs. u- og d-kvarken, elektronet og elektron-nøytrinoet er det som all vanlig materie er bygd opp av. Klasse II og III partiklar er tyngre, og kan bare produserast kunstig.
Ein annan måte å dela inn partiklar på, er etter spinnet. Dette kvantetalet kan ha verdiane 0, 1/2, 1, 3/2, 2 osv. Det viser seg at dei partiklane som har halvtallig spinn (1/2, 3/2, osv) har heilt andre egenskaper enn dei med heiltallig spinn. Derfor definerer vi kategoriane fermioner (halvtallig spinn) og bosoner (heiltallig spinn). Både kvarkar og leptoner er fermioner.

I tillegg er det gluoner, fotoner, og W- og Z-bosoner. Disse partiklane, som også er fundamentalpartiklar, kallast kraftformidlarar. Dei er ansvarlige for hhv. den sterke kjernekrafta, den elektromagnetiske krafta og den svake kjernekrafta. Alle kraftformidlarane er bosoner.

Dei fire kreftene

Gravitasjonskrafta

Gravitasjonskrafta har uendelig rekkevidde og påvirkare alle partiklar. Likevel er gravitasjonskreftene mellom fundamental- partiklane så svak, minst tretti størrelsesordenar (dvs. 1/1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000) svakare enn den svake kjernekrafta, at vi sjå bort frå gravitasjonseffektar i prosessar som involverer et lite antal partiklar. Den hypotiske kraftformidlaren som blir kalla graviton er tenkt som årsak til gravitasjonskrafta. Denne partikkelen er ikkje funnen, og gravitasjon er fremdeles ein stor utfordring for teoretikarar.

Den elektromagnetiske krafta

Den elektromagnetiske krafta har også uendelig rekkevidde, men påverkar bare partiklar som har elektrisk ladning. Denne krafta er årsaken til at elektronet blir bunde til kjerna, og til at atomer kan danna molekyler. Kraften blir formidla av fotonet.

Den svake kjernekrafta

Den svake kjernekrafta har kort rekkevidde. Den er årsaken til at beta-decay, og at mange partiklar er ustabile. Krafta er formidla av W- og Z-bosonane.

Den sterke kjernekrafta

Den sterke kjernekrafta har også kort rekkevidde. Den er årsaken til at nøytroner og protoner blir haldne saman i ei kjerne. Den sterke kjernekrafta er formidla av gluoner.

Leptoner

Leptoner er elementærpartiklar som ikkje er påvirka av den sterke kjernekrafta. Dei seks leptontypane er vist i tabellen nedanfor. I tillegg har også kvart lepton sin antipartikkel. I alle tabellane er massen målt i enheten GeV/c². Ein eV (elektronvolt) er den energien et elektron vil få over ein spenning på ein volt.

Type Masse
(GeV/c²) Elektrisk ladning
(e)

elektron-nøytrino <7 x 10-9 0

elektron 0.000511 -1

myon nøytrino <0.0003 0

myon
(my-minus) 0.106 -1

tau nøytrino <0.03 0

tau
(tau-minus) 1.7771 -1

Masse (GeV/c²)	Elektrisk ladning (e)
elektron-nøytrino	<7 x 10-9	0
elektron	0.000511	-1
myon nøytrino	<0.0003	0
myon (my-minus)	0.106	-1
tau nøytrino	<0.03	0
tau (tau-minus)	1.7771	-1

Elektronet er det lettaste av leptona. Det er stabilt i motsetning til dei andre. Elektronets antipartikkel kallast positron, og har nøyaktig samme masse, men motsatt elektrisk ladning (+1). Positroner er også stabile, men kan annihilerast når dei møter et elektron. Dei vil då forsvinna og danna fotoner. Omvendt kan også fotoner med tilstrekkelig energi danna eit elektron-positron par. Dette kallast pardanning. Myoner og tau-leptoner er elektroner i tyngre utgave. Dei er ustabile og kan dannast i eksperiment. Tau-leptonet vart oppdaga på SLAC (Standford Linea ACelerator) og nobelprisen for 1995 gjekk til denne oppdagelsen. Kvar av disse partiklane har ett tilsvarande nøytrino. Nøytrinoer er nøytrale partiklar, og har så langt vi veit i dag, null masse. Dei er heilt like bortsett frå at dei vert alltid danna saman med sin leptonkompanjong. Sidane dei har null (eller veldig liten) masse og ingen elektrisk ladning, er dei bare påvirka av gravitasjonskrafta og den svake kjernekrafta. Det betyr at dei er svært vanskelige å detektera. Vi kan bare observera dei via den effekt dei har på andre partiklar i reaksjonar, feks ved å sjå på energien i betadecay, der nøytrinoet tar den manglande energien.

Kvarkar

Kvarkar er byggesteinane for nøytroner, protoner og andre hadroner. Det fins seks kvarktypar, og til kvar type fins det ein antikvark.

Type		Masse (GeV/c²)	Electrisk Ladning (e)
u	up	0.004	+2/3
d	down	0.008	-1/3
c	charm	1.5	+2/3
s	strange	0.15	-1/3
t	top	176	+2/3
b	bottom	4.7	-1/3

Kvarkar kan bare eksistera innanfor protoner, nøytroner og andre hadroner. Dei kan ikkje eksistera som sjølvstendig partikkel. Dette kallast confinement. Kvarkane kan danne partiklar på to måtar: tre "vanliga" kvarkar dannar det som kallast baryoner og ein kvark og ein antikvark dannar det som kallast mesoner Tre kvarkar kan danna eit baryon, mens ein kvark og ein antikvark kan danna eit meson. Eit proton består td. av to u-kvarkar og ein d-kvark. Summerer vi massane til disse kvarkane finn vi at dei er mykje mindre enn protonmassen. Det kjem av at protonmassen får bidrag frå kvarkane sine kinetiske og potensielle energiar. (energi tilsvarar masse). Korleis veit vi så at kvarkane fins når vi aldri kan sjå dei i det fri? Svaret er at utrekningar som baserer seg på kvarkane sin eksistens stemmer med eksperimenta.

Hadroner

Hadroner er laga av kvarkar og gluoner, og bundne saman av den sterke kjernekrafta. Mange av dei vart oppdaga på 50- og 60-talet, og heile kvarkteorien vart først foreslått for å forklara dei mange observerte hadronene. Det fins to typar hadroner: baryoner og mesoner.

Baryoner

Baryoner er partiklar som er danna av tre kvarkar (og antibaryoner av tre antikvarkar). Dei har halvtallig spin og er derfor fermioner.

Eksempel på Fermioniske Hadroner: Barioner () og Anti-barioner ()
Symbol	Navn	Kvark Innhald	Elektrisk Ladning	Masse (GeV/c²)	Spin
	proton		1	0.938	1/2
	anti-proton		-1	0.938	1/2
	nøytron		0	0.940	1/2
	lambda		0	1.116	1/2
	omega		-1	1.672	3/2

Protonet er det einaste baryonet som er stabilt åleine. Nøytronet er ustabilt åleine, men kan vera stabile innanfor ei kjerne. Alle baryoner som består av dei tyngre kvarkane er ustabile.

Mesoner

Mesoner er danna av ein kvark og ein antikvark. Det fins ingen stabile mesoner. Dei har heiltalling spin og er derfor bosoner.

Eksempel på Bosoniske Hadroner: Mesoner ()
Symbol	Navn	Kvark Innhald	Elektrisk Ladning	Masse (GeV/c²)	Spin
	p-meson		+1	0.140	0
	k-meson		-1	0.494	0
	ro		+1	0.770	1
	D+		+1	1.869	0
	eta-c		0	2.979	0

Decay

Akkurat som ei kjerne kan dela seg eller senda ut små bitar, så kan ein partikkel falla sund. Dette kallast decay. Forskjellen er at mens det alltid vil vera deler av den opprinnelige kjernen tilbake etter et sundfall, så vil decay av fundamentalpartiklar alltid produsera heilt andre partiklar. Så langt vi veit i dag er det bare elektroner, protoner, fotoner og nøytrinoer som aldri fell sund. Alle andre partiklar er ustabile. Derfor fins dei ikkje i vanlig materie, men kan produserast i eksperiment.

Reglar for decay

Ein partikkel kan falla sund på mange måtar, men ikkje på kva som helst måte. Det kan bare skje når visse bevaringslover (konserveringslover) er oppfylt. For eksempel:

Energibevaring betyr at summen av energiane til dei produserte partiklane må vera lik masseenergien (mc²) til den opprinnelige partikkelen. Det betyr at summen av massane til dei nye partiklane må vera mindre enn massen til den opprinnelege.
Bevaring av elektrisk ladning betyr at summen av ladningane til dei nye partiklane må vera lik summen av den opprinnelige.

Disse to bevaringslovene ville tillata protondecay til et positron og et foton, med ei halveringstid på brøkdeler av et sekund. Men eksperimentelt er den nedre grensa for protonets halveringstid 100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 eller 10³² år! Derfor må det finnast andre bevaringslover som forbyr protondecay. Faktisk fins det to lover som forbyr det:

Bevaring av baryontal Et proton har baryontal +1, mens fotonet og positronet har baryontal null.
Bevaring av elektrontal Et positron (anti-elektron) har elektrontal -1, mens fotonet og protonet har elektrontal null.

Tilsaman fins det ni slike bevaringslover. Dei har meir karakter av huskereglar enn naturlover.

Beta-decay

Beta-decay er ein prosess der et nøytron (to d-kvarkar og ein u-kvark) forsvinn og blir erstatta med et proton (to u-kvarkar og ein d-kvark). Dette kan forklarast ved at ein d-kvark forsvinn og blir erstatta med eit W-boson. W-bosonet vil vidare falla sund i et elektron og et anti-elektron-nøytrino. Dette er ein svak vekselverknad, og kan representerast med et sk. Feynman-diagram:

grafikk/f-betadecay.gif (2189 bytes)

Alle kvarkar kan gå over til kvarandre ved å absorbera eller senda ut eit W-boson, men dei ulike overgangane har ulike sannsynlighet for å skje. Disse sannsynlighetane kan vi få teoretisk av standardardmodellen. Samanliknar vi med oberverte frekvensar får vi god overensstemmelse, og dette er derfor ein god verifisering av standardmodellen.