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