Cząstki materii - fermiony

Cząstki materii (fermiony)

Według Modelu Standardowego mamy dwa rodzaje składników materii leptony i kwarki. Nie wiemy czy cząstki te mają strukturę wewnętrzną i nie znamy możliwości ich podziału na części składowe.

Leptony

Do leptonów zaliczamy: elektron, mion, taon, neutrino elektronowe, neutrino mionowe i neutrino taonowe. Ostatnią z tych cząstek - neutrino taonowe przewidziane teoretycznie dużo wcześniej, odkryto dopiero w 2000 roku. Neutrina nie mają ładunku i przez bardzo długi czas sądzono, że nie mają masy spoczynkowej. Ostatnie badania udowodniły, że jednak bardzo małą masę posiadają. Na razie tyko szacunkowo potrafimy ją wyliczyć. Neutrina są produkowane w różnych rozpadach i oddziaływaniach. Na przykład w rozpadzie neutronu na proton, elektron i antyneutrino. Właśnie dokładna obserwacja rozpadów radioaktywnych doprowadziła do powstania hipotezy istnienia neutrin. Są to cząstki bardzo przenikliwe, przez Ziemię przechodzą jak przez masło, bez zderzenia i oddziaływania. Najprawdopodobniej we Wszechświecie jest ich bardzo dużo, ale nie umiemy oszacować ich liczby ani oszacować ich łącznej masy.
Leptony mogą istnieć bez towarzystwa innych cząstek.

Kwarki

Koncepcje istnienia kwarków wysunęli Murray Gell-Mann i Zweing w roku 1964. Istnieje sześć kwarków, ale fizycy łączą je w pary: górny/dolny (up/down), powabny/dziwny (carm/strange) i prawdziwy/piękny (true/beauty) lub inaczej zwane szczytowym i dennym (top/bottam). Kwarki posiadają ładunek elektryczny ułamkowy równy 2/3 lub -1/3 ładunku elektronu (elementarnego). Posiadają oprócz tego inny typ ładunku zwany ładunkiem kolorowym lub krótko kolor, który jest źródłem silnego oddziaływania jądrowego, wiążącego kwarki w cząstkach i spajające jądra atomowe. Kolor jest niewidoczny. Kolory są trzy (czerwony, zielony i niebieski), a więc w rzeczywistości zamiast sześciu występuje aż osiemnaście naładowanych różnymi kolorami ładunków. Kwarków swobodnych nie obserwujemy, mogą występować tylko z innymi kwarkami tworząc cząstki zwane hadronami. Cząstki tworzące materię (leptony i kwarki mają spin połówkowy) i są fermionami. Podlegają one zakazowi Pauliego, czyli nie mogą występować jednocześnie w tym samym stanie. Każdy fermion posiada swą antycząstkę - cząstkę antymaterii. Cząstki będące cegiełkami materii łączą się w trzy rodziny. W każdej z nich znajdują się dwa kwarki i dwa leptony.

Pierwsza rodzina: elektron, neutrino elektronowe, kwarki -n górny (up) i dolny (down). Druga rodzina: mion, neurino mionowe, kwarki - powabny (charm) i dziwny (strange). Trzecia rodzina: taon, neurino taonowe, kwarki - denny (buttom), zwany też pięknym i szczytowy (top), zwany też prawdziwym. Cały istniejący wokół nas trwały i stabilny świat jest złożony z cząstek pierwszej rodziny. Na przykład proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, a neutron z dwóch dolnych i jednego górnego. Atomy zaś mają protony dwóch neutrony w jądrze, okrążanym przez elektrony. Po co w naturze pozostałe dwie rodziny? Nie wiadomo. Tym bardziej, że własności cząstek drugiej i trzeciej rodziny są niemal dokładnie takie same jak pierwszej. Jedyna różnica to ta, że w kolejnych rodzinach cząstki są coraz cięższe.

Ponieważ jednak pierwsza rodzina istnieje, to wszystkie rzeczy zbudowane z cząstek należących do dwóch ostatnich rodzin są nietrwałe i rozpadają się w ułamku sekundy. Podejrzewamy, że istniały krótko tuż po Wielkim Wybuchu, a obecnie potrafimy je wyprodukować na moment w laboratoriach.

HADRONY

Tak jak i stadnie żyjące słonie, kwarki występują tylko w grupach z innymi kwarkami. Pojedynczy kwark ma Ułamkowy ładunek elektryczny, który jednak nigdy nie jest obserwowany, gdyż kwarki nie występują pojedynczo. Tworzą one cząstki zwane hadronami. Suma ładunku elektrycznego kwarków tworzących hadron jest zawsze całkowita. Pojedyncze kwarki posiadają ładunek kolorowy, natomiast hadrony są kolorowo obojętne.

Istnieją dwa rodzaje hadronow:
· Bariony są to hadrony zbudowane z trzech kwarków (qqq). Na przykład protony zbudowane są z dwóch kwarków górnych (up) i jednego dolnego (down) (uud), a neutrony składają się z jednego kwarku górnego i dwóch dolnych (udd).

· Mezony zbudowane są z jednego kwarku ( ) i jednego antykwarku ( ). Na przykład ujemnie naładowany pion ( ) jest ( ).