Fysiikka 8 – luku 8 Hiukkasfysiikka
8.1 Standardimalli
Hiukkasfysiikka
kuvaa luonnon toimintaa sen perimmäisellä tasolla. Aine koostuu
perushiukkasista, joita ovat kvarkit ja
leptonit. Perushiukkasten ajatellaan olevan pistemäisiä, koska niissä ei ole
ilmennyt sisäistä rakennetta. Perushiukkaset vuorovaikuttavat toistensa kanssa.
Vuorovaikutuksessa hiukkanen voi muuttua toisiksi hiukkasiksi. Perushiukkasia
ja niiden vuorovaikutuksia kuvaavaa teoriaa kutsutaan hiukkasfysiikan
standardimalliksi.
Perushiukkasten perheet
Aineen
perushiukkaset jakautuvat kolmeen perheeseen, jotka ovat elektronin, myonin ja
taun perheet. Jokaiseen perheeseen kuuluu neljä perushiukkasta, eli kaksi
leptonia ja kaksi kvarkkia. Kaikki näkyvä aine rakentuu elektronin perheen hiukkasista.
Kvarkkeja
ei synny yksin, vaan ne muodostavat aina jonkin hiukkasen. Protoni sisältää kaksi ylös-kvarkkia sekä
yhden alas-kvarkin (uud). Neutroni sisältää yhden ylös-kvarkin ja kaksi
alas-kvarkkia (udd).
Vuorovaikutukset
Perusvuorovaikutuksia
ovat sähkömagneettinen vuorovaikutus, vahva, heikko vuorovaikutus sekä
gravitaatiovuorovaikutus. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen
on fotoni, heikon vuorovaikutuksen välibosoni sekä vahvan vuorovaikutuksen
gluoni. Gravitaatiovuorovaikutuksen välittäjähiukkasta gravitonia ei ole vielä
havaittu. Välibosoneja ovat W+, W- ja Z0. Gluonit ovat massattomia
hiukkasia kuten fotonitkin. Gravitaatiovuorovaikutus vaikuttaa kaikkiin
massallisiin hiukkasiin. Se on perusvuorovaikutksista heikoin.
8.2 Alkeishiukkaset
Hadronit
Hadronit
jaetaan kvarkkirakenteensa perusteella baryoneihin ja mesoneihin. Baryonit ovat
kolmen kvarkin muodostamia hiukkasia ja mesonit kvarkin ja antikvarkin
muodostamia hiukkasia. Protoni ja neutroni ovat kaksi kevyintä baryonia.
Antihiukkanen ja antiaine
Jokaisella
perushiukkasella on antihiukkanen. Sillä on sama massa kuin hiukkasella, mutta
se eroaa hiukkasesta joidenkin muiden ominaisuuksien osalta. Esim sen varaus
voi olla vastakkainen kuin hiukkasen varaus. Myös kvarkeilla on antihiukkaset,
antikvarkit. Kun hiukkanen ja sen antihiukkanen kohtaavat, ne annihiloituvat.
Annihilaatiossa kummankin massaan sitoutunut energia vapautuu sähkömagneettisen
säteilyn energiana, eli kahtena fotonina. Eli
e+ +
e- à
2 γ