részecskefizika
(nagyenergiájú fizika)
A fizika egyik tudományága amely az anyag alapösszetevőinek és a közöttük működő kölcsönhatásoknak a vizsgálata, más néven nagyenergiájú fizika.
A legtöbb részecskefizikai kísérlet hatalmas részecskegyorsítók alkalmazására épül, mert csak ezekkel lehet a részecskéket olyan közel juttatni egymáshoz, hogy kölcsönhatásba lépjenek.
A részecskefizikában minden elmélet kvantumelmélet, amelyben igen lényeges a szimmetria.
A részecskefizika a protonokat,
neutronokat, az azokat alkotó részecskéket
és az, ezzel kapcsolatos kérdéseket vizsgálja.
Vizsgálja az atomot alkotó alapvetőnek nevezett elemi
részecskéket is.
Ilyenek az
- anyagi részecskék (kvarkok, neutrínók,
elektronok, müonok,
tau-részecskék) és az
- erőrészecskék (gluonok, fotonok,
W-részcskék és Z-részecskék,
gravitonok).
A részecskék között működő kölcsönhatások
közül az elektromágneses, az erős
és gyenge kölcsönhatás játszik lényeges
szerepet; a gravitációs kölcsönhatás
elhanyagolható.
A 30-as évek közepére már ismerték a protont,
neutront és elektront,
felfedezték a maghasadást, s ezzel
kialakult a magfizika tárgya.
A részecskefizika ennél egy réteggel mélyebben vizsgálja az anyag
szerkezetét.
A legelső részecskefizikai kísérletek a kozmikus
sugárzás fotoemulzióban hagyott nyomait
kutatták, így derült fény a müon (1937)
és a pion (1947) létezésére. Eredetileg
a piont gondolták a magkölcsönhatás közvetítőjének.
A magkölcsönhatás e hajdani elméletét Hideki Yukawa, japán fizikus dolgozta
ki 1935-ben. Ezen az elképzelésen már túllépett a tudomány, habár a nem nagy
energiájú fizikában a protonok és neutronok
közötti kölcsönhatás leírható pionok
közvetítette kölcsönhatásként.
Az 50-es években újabb kozmikus sugárzásvizsgálatok,
valamint az első gyorsítókísérletek
során különböző tömegű új részecskéket fedeztek fel. Némelyikük viselkedése
igen "különös", vagy viszonylag könnyen jöttek létre, s ez arra engedett következtetni,
hogy erős kölcsönhatásban keletkeztek
és gyenge kölcsönhatásban bomlottak.
Az eredmények megmagyarázására egy új kvantumszámot
vezettek be: a ritkaságot, amely erős
kölcsönhatásban megmarad, gyenge kölcsönhatásban
viszont nem.
A megfigyelt részecskék-kölcsönhatások magyarázatára később újabb és újabb kvantumszámokat
vezettek be, ugyanilyen különös elnevezésekkel.
Az 50-es, 60-as években számos részecskét
és részecskerezonanciát fedeztek fel,
így többek között az antiprotont (igazolva általa, hogy valóban léteznek antirészecskék)
és a neutrínót.
1961-ben egy amerikai fizikus, Murray Gell-Mann
(1929-) és egy izraeli fizikus, Yuval Ne'emann (1925-) szimmetrián
alapuló részecske-sztályozási rendszert alkottak, és ebben a részecskéket kvantumszámokkal
(pl. az izospinnel és a ritkasággal)
címkézték.
1964-ben Gell-Mann és George Zweig (1937-) amerikai fizikus felvetette, hogy
a szimmetriamintázatok mögött kvarkoknak
elnevezett absztrakciók rejlenek. A Stanfordi
Lineáris Gyorsítóban (USA) végzett kísérletek (1968), amelyekben elektronokkal
bombáztak protonokat, azt mutatták, hogy
a protonokon belüli részecskék a kvarkok
tulajdonságait mutatják. Bár egyszer sem sikerült még kvarkokat
közvetlenül megfigyelni, általánosan felteszik, hogy ezek a protonok,
neutronok és más szubatomi
részecskék végső összetevői.
Az erős kölcsönhatás átfogó elmélete, amely szerint a kvarkok közötti erős kölcsönhatást a glüonok közvetítik, 1973-ban született meg: ez a kvantum-színdinamika.
A radioaktív bomlást előidéző gyenge kölcsönhatás az egyes kvarkok bomlásával magyarázható. Pl. a protonná (valamint elektronná és antineutrínóvá) bomló neutronban kvark bomlik el kvarkokká, elektronná és antineutrínóvá.
A gyenge kölcsönhatást W-részcskék és Z-részecskék közvetítik, ezt jól leírja a Glashow-Weinberg-Salam-elmélet (1968).
A tisztán elektromágneses kölcsönhatásokat a kvantumelektrodinamika írja le.
A részecskefizika jelenleg elfogadott elmélete a standard modell, amely az elektromágneses, az erős és a gyenge kölcsönhatást, valamint az alapvető elemi részecskéket leíró kvantumtérelméletet foglalja magába.
A kutatások ma a meglevő elméletek közötti ellentmondások kiküszöbölésére irányulnak, továbbá az erős, gyenge és elektromágneses erők egységes elméletének kidolgozására, valamint a gravitáció beiktatására, hogy átfogó elmélet alakuljon ki a fizikai világról.
Kicsit szemléletesebben foglalkozom a témával az Érdekességek rész Egy
kis részecskefizika... címszavában