Tekst źródłowy strony Cząstka elementarna

{{Inne znaczenia|zagadnienia związanego z fizyką|[[Cząstki elementarne (ujednoznacznienie)|inne znaczenie tej nazwy]]}}
{{Listen| filename = Cząstki elementarne.mp3 |title = Cząstki elementarne |type = speech |description = Rozmowa z prof. Marianem Kozielskim. Podkast z serii Nauka XXI wieku}}

'''Cząstka elementarna''' – [[cząstka]] będąca podstawowym budulcem, czyli najmniejszym i nieposiadającym wewnętrznej [[struktura|struktury]]. Niemniej pojęcie to ze względów historycznych ma trochę inne znaczenie. Badaniem tych cząstek zajmuje się [[fizyka cząstek elementarnych]].

== Historia ==
Pojęcie '''cząstki elementarne''' wprowadzono w latach 1930–1935 i oznaczało ono [[elektron]], [[proton]], [[neutron]] i kwant [[Pole elektromagnetyczne|pola elektromagnetycznego]] ([[foton]]). W tamtych czasach uznawano, że cała materia zbudowana jest z tych cząstek.

W latach późniejszych odkryto [[mion]]y, [[mezony]], [[hiperony]] i wiele innych cząstek oraz ich [[Antymateria|antycząstki]], początkowo wszystkie były uznane za elementarne. Obecnie znanych jest ponad 200 takich cząstek<ref>C. Amsler ''et al.'' (Particle Data Group), ''2008 Review of Particle Physics'', Physics Letters, B667, 1 (2008) and 2009 partial update for the 2010 edition wylicza około 220 cząstek o statusie „pewne” lub „niemal pewne” (nie licząc antycząstek).</ref>, większość z nich współcześnie nie jest już uważana za elementarne.

== Próby zmiany definicji ==
Wśród fizyków nie ma obecnie jednomyślności w uznaniu definicji cząstki elementarnej, choć przeważa pogląd, że cząstkami elementarnymi są te wszystkie cząstki, które są niezbędne do wyjaśnienia własności wszystkich form materii, i tylko te, których nie można wyjaśnić przez inne cząstki. Z definicji tej wynika, że są one jednocześnie podstawowym budulcem materii i nie posiadają wewnętrznej struktury.

Tak zwana ''hipoteza demokracji cząstek'' zakłada, że wszystkie cząstki są sobie nawzajem potrzebne i nawzajem tłumaczą się teoretycznie. W myśl tego poglądu oraz ze względów historycznych terminu cząstki elementarne używa się czasem także w odniesieniu do [[Hadrony|hadronów]] (czyli do kilkuset cząstek jak proton, czy neutron, niebędących w istocie cząstkami elementarnymi).

Terminu tego używa się jednak tylko w kontekście, w którym rozumiany jest jednoznacznie.

Niejednoznaczności w definicji spowodowały wprowadzenie pojęcia '''cząstki fundamentalne''' określające cząstki elementarne w myśl pierwszej definicji.

Ścisła definicja cząstek elementarnych (w znaczeniu fundamentalnych) oznacza, że w miarę postępu badań pewne cząstki mogą przestać być uznawane za elementarne<ref>{{Encyklopedia PWN | tytuł = Cząstki elementarne | id = 3889348 | data dostępu = 2021-07-22 }}</ref>.

== Cząstki elementarne w strukturze materii ==
Z cząstek elementarnych zbudowane są wszystkie inne cząstki. Na przykład [[atom]]y zbudowane są z mniejszych cząstek takich jak [[elektron]]y, [[proton]]y i [[neutron]]y. Protony i neutrony są również cząstkami złożonymi z innych, bardziej podstawowych cząstek – [[kwark]]ów. Najważniejszym problemem w [[fizyka cząstek elementarnych|fizyce cząstek]] jest znalezienie czegoś, co można uznać za '''cząstki fundamentalne''', z których, jak z budulca, złożone byłyby wszystkie inne cząstki „elementarne”, a które same nie byłyby już złożone z niczego innego.

== Cząstki elementarne modelu standardowego ==
[[Model standardowy]] wprowadza:
* 12 cząstek, z których zbudowana jest [[materia (fizyka)|materia]]<ref group="uwaga">Według innej definicji materię stanowią także bozony.</ref>, zwanych [[Fermiony|fermionami]];
* 12 cząstek, odpowiedzialnych za przenoszenie [[oddziaływania podstawowe|oddziaływań]] między innymi cząstkami, zwanych [[Bozony|bozonami]] („cząstek [[promieniowanie|promieniowania]]”).

=== Fermiony ===
Dwanaście rodzajów fermionów podzielonych jest na trzy rodziny, po cztery cząstki w każdej. Sześć z nich to [[kwark]]i, pozostałe sześć to [[lepton (mechanika kwantowa)|leptony]]. Trzy z leptonów są [[neutrino|neutrinami]] (obojętnymi elektrycznie), dalsze trzy mają ładunek elektryczny -1: elektron, [[mion]] i [[taon]].

{| width="100%"
|width="20%"| rodzina I
|width="20%"| rodzina II
|width="20%"| rodzina III
|width="10%"| ładunek elektryczny
|width="10%"|
|-
|
{| style="border:1px #000000 solid;" width="100%"
|[[Elektron|elektron (e)]]
|-
|[[neutrino|neutrino elektronowe (ν<sub>e</sub>)]]
|}
|
{| style="border:1px #000000 solid;" width="100%"
|[[mion|mion (μ)]]
|-
|[[neutrino|neutrino mionowe (ν<sub>μ</sub>)]]
|}
|
{| style="border:1px #000000 solid;" width="100%"
|[[taon|taon (τ)]]
|-
|[[neutrino|neutrino taonowe (ν<sub>τ</sub>)]]
|}
|
{|
| –1
|-
| 0
|}
|[[Lepton (mechanika kwantowa)|leptony]]
|- style="border:1px #000000 solid;"
|
{| style="border:1px #000000 solid;" width="100%"
|[[kwark górny|kwark górny (u)]]
|-
|[[kwark dolny|kwark dolny (d)]]
|}
|
{| style="border:1px #000000 solid;" width="100%"
|[[kwark powabny|kwark powabny (c)]]
|-
|[[kwark dziwny|kwark dziwny (s)]]
|}
|
{| style="border:1px #000000 solid;" width="100%"
|[[kwark t|kwark wysoki (t)]]
|-
|[[kwark b|kwark niski (b)]]
|}

|
{|
| +2/3
|-
| –1/3
|}
|[[kwark]]i
|}

Oprócz tego należy uwzględnić dwanaście rodzajów [[Antymateria|antycząstek]] do wymienionych tu fermionów. Antycząstką elektronu jest [[pozyton]] <math>(e^+)</math> o ładunku +1, dodatni mion <math>\mu^+</math> jest antycząstką mionu, zaś dodatni taon <math>\tau^+</math> antycząstką taonu. Antykwarkami są: antykwark górny <math>\overline{u},</math> antykwark dolny <math>\overline{d},</math> antykwark powabny <math>\overline{c},</math> antykwark dziwny <math>\overline{s},</math> antykwark wysoki <math>\overline{t}</math> i antykwark niski <math>\overline{b}.</math> Antyneutrina to antyneutrino elektronowe <math>\overline\nu_e,</math> antyneutrino mionowe <math>\overline\nu_\mu</math> i antyneutrino taonowe <math>\overline\nu_\tau.</math>

Jak dotąd nigdy nie zaobserwowano kwarków i antykwarków w stanie wolnym, tzn. niepołączonych w inne cząstki. Kwark może łączyć się z antykwarkiem, tworząc [[Mezony|mezon]]: kwarki charakteryzują się „[[Ładunek kolorowy|kolorem]]” – odpowiedni antykwark obdarzony jest wówczas „antykolorem”. Kolor i antykolor znoszą się wzajemnie, dając w wyniku kolor biały, co oznacza kolor obojętny (nie ma to nic wspólnego z kolorami widzianymi, jedynie taka jest terminologia). Kwarki mogą też łączyć się z innymi kwarkami w grupy po trzy, tworząc [[bariony]]: kwark „czerwony” łączy się z „zielonym” i „niebieskim”. Ich kolory znów znoszą się dając kolor biały, czyli znów brak ładunku koloru. Trzy antykwarki, „antyczerwony”, „antyzielony” i „antyniebieski” w połączeniu dają antybarion o kolorze „antybiałym”, co oznacza, że antybarion również nie przejawia ładunku koloru. Kolor i antykolor są jedynie cechami kwarków i antykwarków i nie mogą istnieć oddzielnie od nich.

Same kwarki mogą przenosić ładunek elektryczny, który jest ''ułamkową'' częścią [[Ładunek elektryczny elementarny|ładunku elementarnego]], ale jak dotąd w przyrodzie nie został on zaobserwowany – model standardowy przewiduje, że kwarki łączą się w taki sposób, że wypadkowy ładunek powstałej cząstki jest całkowitą krotnością ładunku elementarnego. Ładunek przenoszony przez kwarki może być równy +2/3 lub –1/3 ładunku elementarnego, antykwarki przenoszą wówczas ładunek –2/3 lub +1/3.

=== Bozony ===
[[Plik:Quark structure pion.svg|thumb|150px|Struktura [[Pion (cząstka)|mezonu pi]] (tzw. pionu <math>\pi^+=u\overline{d}</math>) złożonego z [[Kwark górny|kwarka górnego]] i antykwarka dolnego związanych [[oddziaływanie silne|silnym oddziaływaniem]] przenoszonym przez [[gluon]]y.]]

Z 12 rodzajów bozonów 8 to tak zwane [[gluon]]y. Są to obojętne cząstki o [[masa spoczynkowa|masie spoczynkowej]] zero, obdarzone jednocześnie „kolorem” i „antykolorem”. Gluony są podobne do mezonów, jednak są kolejnym rodzajem cząstek fundamentalnych – nie są zbudowane z kwarków, ani nie są kwarkami. W przypadku gluonów kolor i antykolor nie znoszą się wzajemnie: istnieją gluony niosące kolor „czerwony”/„antyzielony”, co w przypadku mezonów nie jest możliwe. Gluony są odpowiedzialne za przenoszenie [[oddziaływanie silne|oddziaływań silnych]].

Z pozostałych bozonów fundamentalnych trzy: [[bozon W|wuony]] (<math>W^+,</math> <math>W^-</math>) i [[bozon Z|zeton]] <math>(Z^0),</math> są odpowiedzialne za przenoszenie [[oddziaływanie słabe|oddziaływań słabych]]. Ostatnim bozonem fundamentalnym jest [[foton]], który pośredniczy w przenoszeniu [[oddziaływanie elektromagnetyczne|oddziaływań elektromagnetycznych]]. Bozonami, czyli cząstkami o [[spin (fizyka)|spinie]] całkowitym, są również mezony. Jako złożone z kwarków nie są jednak bozonami fundamentalnymi.

== Nowe teorie ==
Obecnie zaczyna panować przekonanie, że model standardowy jest teorią tymczasową i trwają intensywne prace nad znalezieniem teorii bardziej podstawowej – być może cząstki uważane za „elementarne” przez model standardowy, w nowej teorii okażą się cząstkami złożonymi; fizycy mają też nadzieję, że będzie ona zawierała cząstki nieujęte w modelu standardowym. Chodzi tu przede wszystkim o hipotetyczne [[grawiton]]y, które miałyby być odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań [[grawitacja|grawitacyjnych]]. Ogólna teoria miałaby łączyć wreszcie wszystkie cztery typy podstawowych oddziaływań w przyrodzie.

Według [[teoria superstrun|teorii superstrun]], każda cząstka fundamentalna jest przejawem innego rodzaju drgań superstruny (struny drgają bezustannie w sposób podobny jak fale stojące: cząstki miałyby być obrazem drgań analogicznie jak orbitale atomowe w [[model atomu Bohra|modelu atomu Bohra]] są [[węzeł fali|węzłami fali]] stojącej według teorii [[fale materii|fal materii]]). Wszystkie struny są takie same, różne są jedynie sposoby ich wibracji. Masywniejsze cząstki odpowiadają drganiom strun o większej energii. W teorii superstrun jednakże cząstki ''nie zawierają'' strun – one ''są strunami''.

Istnieje też grupa modeli zwanych [[supersymetria|supersymetrycznymi]]. Przewiduje ona, że każda ze znanych cząstek ma swego, nieodkrytego jeszcze, supersymetrycznego partnera, zwanego '''s-cząstką'''. S-cząstki mają większą masę niż „zwykłe” cząstki: rozważania teoretyczne sugerują, że masa ich może leżeć w obszarze kilkuset [[elektronowolt|GeV]] do 1&nbsp;TeV, czyli nieco poza zasięgiem istniejących [[akcelerator cząstek|akceleratorów]].

W mechanice kwantowej [[dekoherencja kwantowa]] zakłada ponadto oddziaływanie obiektu z otoczeniem w sposób nieodwracalny eliminujące [[Stan splątany|splątanie kwantowe]]. Stan kwantowy jest stanem [[Superpozycja|superpozycji]]. Zgodnie z wynikami badań nie ma nigdzie żadnych cząstek elementarnych póki nie nastąpi ich obserwacja, tj. dekoherencja kwantowa<ref>Bruce Rosenblum, Fred Kuttner, ''Quantum Enigma: Physics Encounters Consciousness'', Second Edition, Oxford University Press; 2011, {{ISBN|0199753814}}.</ref>.

== Zobacz też ==
{{Wikibooks|Wstęp do fizyki cząstek elementarnych}}
{{Wikicytaty|dopełniacz=o cząstce elementarnej}}
* [[Kalendarium odkryć cząstek elementarnych]]

== Uwagi ==
{{Uwagi}}

== Przypisy ==
{{Przypisy}}

== Linki zewnętrzne ==
* [http://wazniak.mimuw.edu.pl/index.php?title=PF_Modu%C5%82_20 Podstawowe informacje o cząstkach elementarnych]
* {{Pismo Delta | url = /media/articles/1974/01/delta-1974-01-na-pytanie-co-to-jest-czastka-elementarna-odpowiada.pdf | autor = [[Grzegorz Białkowski]] | tytuł = Na pytanie co to jest czastka elementarna odpowiada | data = styczeń 1974 | data dostępu = 2023-12-09 }}
* {{otwarty dostęp}} Don Lincoln, ''[https://www.youtube.com/watch?v=m2sr6n6JWhc Big Questions: The Ultimate Building Blocks of Matter]'' {{lang|en}}, kanał [[Fermilab]]u na [[YouTube]], 6 listopada 2013 [dostęp 2023-05-22] – nagranie o niektórych znanych i spekulowanych cząstkach elementarnych.

{{Cząstki elementarne}}

{{Kontrola autorytatywna}}

[[Kategoria:Cząstki elementarne| ]]