חלקיקים אלמנטאריים

חלקיקים אלמנטאריים חלקיק אלמנטארי, בפיזיקת חלקיקים, הנו חלקיק שממנו מורכבים חלקיקים אחרים. לדוגמא, האטום מורכב מחלקיקים קטנים יותר המוכרים כיום בשם אלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים. הפרוטונים והנייטרונים, בתורם, מורכבים מחלקיקים אלמנטאריים יותר, הידועים בשם קווארקים. אחת מהמטרות של פיזיקת החלקיקים היא למצוא את החלקיקים הבסיסיים ביותר, מהם מורכבים כל שאר החלקיקים בטבע, ושהם עצמם באמת לא ניתנים לחלוקה. חקר החלקיקים האלמנטאריים הוא שלב מתקדם במאמצי האדם להבין את מבנה החומר. המודל הסטנדרטי המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים מכיל 12 סוגים אלמנטאריים של פרמיונים ("חלקיקי החומר") ו-12 סוגים אלמנטאריים של בוזונים ("חלקיקי הקרינה"), ובנוסף הוא מתאר את האנטי-חלקיקים שלהם. אך למרות זאת, המודל הסטנדרטי נחשב תיאוריה חלקית בלבד, יותר מאשר תיאוריה בסיסית המתארת את כל היקום. הסיבה העיקרית לכך היא שהמודל אינו מתיישב בצורה מלאה עם תיאורית הכבידה של איינשטיין. ככל הנראה ישנם עוד חלקיקים אלמנטאריים שאינם מתוארים במודל הסטנדרטי, כמו הגרביטון, החלקיק שצפוי לשאת את כוח הכבידה, או חלקיקי-העל, אותם חלקיקים-שותפים של כל חלקיק רגיל, אותם חוזות תיאוריות של סימטריית-על. פרמיונים 12 החלקיקים הפרמיוניים האלמנטאריים נחלקים לשלושה "דורות", כשבכל דור ארבעה חלקיקים. שישה מחלקיקים אלה הם הקווארקים. השישה הנותרים הם לפטונים, שמתוכם שלושה הם נייטרינואים, ושלושת הנותרים הם בעלי מטען חשמלי של 1- : האלקטרון ושני "בני-דודיו", המואון והטאו. פרמיונים הם חלקיקים שמקיימים את התכונות הבאות: שני פרמיונים אינם יכולים להימצא באותו מקום ובאותו מצב פיזיקאלי. זהו עקרון האיסור של פאולי. לפרמיון יש ספין חצי שלם (1/2 או 3/2 או 5/2 וכן הלאה). לפי משפט סטטיסטיקת הספין שתי תכונות אלה קשורות זו בזו. באופן פורמאלי, הסיבה שפרמיונים מקיימים את עקרון האיסור של פאולי נובעת מכך שלחלקיקים פרמיונים יש מצב קוונטי אנטי-סימטרי. מכך גם נובע, שפרמיונים מקיימים את סטטיסטיקת פרמי-דיראק. לחלקיקים בעלי ספין בגודל S יש סימטרית סיבוב של רדיאנים. לדוגמה, בכדי לסובב חלקיק בעל ספין 1/2 עד שיחזור למצבו התחילי, עלינו לסובבו בזוית של 4π רדיאנים, כלומר שני סיבובים. חלקיקים מרוכבים המורכבים ממספר זוגי של פרמיונים יכולים להיות בוזונים (כמו מזונים), או פרמיונים (כמו באריונים), תלוי בספין שלהם. עקרון האיסור של פאולי לגבי פרמיונים אחראי ליציבות הקונפיגורציות האלקטרוניות באטום, ומאפשר את קיומם של מבנים כימיים. זאת כיוון שאף על פי שכל האלקטרונים באטום נמשכים לגרעין, הם נשארים בקונפיגורציות שונות כך שלא יהיו שני אלקטרונים באותו מצב פיזיקאלי. דוגמאות לפרמיונים: · אלקטרון · קווארק · פרוטון · נייטרון · נייטרינו · מואון · טאו בוזונים גלואונים : שמונה מתוך 12 הבוזונים האלמנטאריים הם גלואונים. הגלואונים נושאים את הכוח הגרעיני החזק, והם נושאים צבע וגם אנטי-צבע. בוזונים אלקטרו-חלשים : מתוך ארבעת הבוזונים הנותרים, שלושה נושאים את הכוח הגרעיני החלש: אלה הם בוזוני W ו-Z. הבוזון האלמנטארי האחרון הוא הפוטון הנושא את הכוח האלקטרומגנטי. בוזון היגס : על-אף שהכוחות החלש והאלקטרומגנטי נראים לנו שונים למדי בחיינו הרגילים, התיאוריה מנבאת כי שני הכוחות צפויים להתאחד באנרגיות גבוהות במיוחד, ולהיות כוח אלקטרו-חלש. הסיבה להבדל זה באנרגיות נמוכות צפוי להיות קיומו של בוזון היגס. בתהליך של שבירת סימטריה ספונטאנית, חלקיק ההיגס בוחר כיוון מסוים במרחב אלקטרו-חלש הגורם לשלושה חלקיקים אלקטרו-חלשים להפוך להיות מאוד כבדים (הבוזונים הכבדים) ולאחד אחר שיהיה חסר מסה (הפוטון האלקטרומגנטי). על-אף שמכניקת היגס הפכה להיות חלק מקובל מהמודל הסטנדרטי, הבוזון עצמו טרם נתגלה בחיישנים. הסיבה לכך היא ככל הנראה מסתו הגבוהה, אך היעדרותו היא סיבה לדאגה רבה בקרב פיזיקאי החלקיקים. בוזונים הם חלקיקים שמקיימים את התכונות הבאות: מספר בוזונים יכולים להימצא באותו מקום ובאותו מצב פיזיקאלי. במקרה כזה, לא ניתן להבדיל ביניהם (אין לחלקיק זהות שונה מזו של החלקיקים האחרים). למעשה, בוזונים אף נוטים להימצא באותו מצב פיזיקאלי. לבוזון יש ספין שלם. לפי משפט סטטיסטיקת הספין שתי תכונות אלה קשורות זו בזו. באופן פורמאלי, הסיבה שמספר בוזונים נוטים להימצא באותו מצב פיזיקאלי (ושבמקרה כזה אין ביניהם שום הבדל) היא שלחלקיקים בוזונים יש מצב קוונטי סימטרי. מכך גם נובע, שבוזונים מקיימים את סטטיסטיקת בוז-איינשטיין. לחלקיקים בעלי ספין בגודל S יש סימטרית סיבוב של רדיאנים. לדוגמה, בכדי לסובב חלקיק בעל ספין 2 עד שיחזור למצבו התחילי, עלינו לסובבו בזוית של π רדיאנים, כלומר חצי סיבוב. חלקיקים המורכבים מבוזונים, או ממספר זוגי של פרמיונים, מתנהגים כבוזונים (למשל מזונים, ואטומי הליום-4). החלקיקים היסודיים הנושאים את הכוחות הפיזיקאליים הם בוזונים: הפוטונים, הנושאים את הכוח האלקטרומגנטי. המזונים, הנושאים את הכוח הגרעיני החזק בתוך הגרעין. שמונת הגלואונים, הנושאים את הכוח הגרעיני החזק בין הקווארקים. בוזוני W+, W- ו-Z0, הנושאים את הכוח הגרעיני החלש. הגרביטונים (אם קיימים), הנושאים את הכבידה. דוגמאות לבוזונים: פוטונים מזונים בוזוני W ו-Z גלואונים אטומי הליום-4 בוזוני היגס (אם קיימים) - מציאת בוזון היגס נמצאת בעדיפות עליונה, כי היא מהותית על מנת להשלים את ההבנה על חומר. בוזון היגס נחוץ על מנת לתת תוקף למודל הסטנדרטי של הפיסיקה, המסגרת הבסיסית שתוכננה על מנת להסביר את אופי של החלקיקים הבסיסים ואת פעולות הגומלין שלהם. התיאוריה היא שכל החלקיקים רוכשים את המסה שלהם דרך פעולות גומלין עם שדה ההיגס, אשר נבנה ע"י בוזון ההיגס. פונונים אנטי-חלקיקים ישנם גם 12 אנטי-חלקיקים פרמיוניים אלמנטאריים, המקבילים ל-12 שתוארו למעלה. הפוזיטרון (e+) מקביל לאלקטרון ויש לו מטען חשמלי של +1. "בני-דודיו" הם המואון החיובי, μ+, והטאו החיובי, τ+. האנטי-קווארקים הם: אנטי-קווארק למעלה \bar , אנטי-קווארק למטה \bar , אנטי-קווארק קסום \bar , אנטי-קווארק מוזר \bar , אנטי-קווארק עליון \bar ואנטי-קווארק תחתון \bar . האנטי-נייטרינואים הם: האנטי-נייטרינו אלקטרוני \bar_e , האנטי-נייטרינו המואוני \bar_\mu ואנטי-נייטרינו הטאואוני \bar_\tau .