perushiukkasista Perushiukkasia ovat nykykäsityksen mukaan kvarkit ja leptonit alkeishiukkasiksi

Transkriptio

1 8. Hiukkasfysiikka Hiukkasfysiikka kuvaa luonnon toimintaa sen perimmäisellä tasolla. Hiukkasfysiikan avulla selvitetään maailmankaikkeuden syntyä ja kehitystä. Tutkimuskohteena ovat atomin ydintä pienemmät aineen rakenneosat ja niiden vuorovaikutus. Aine koostuu perushiukkasista Perushiukkasia ovat nykykäsityksen mukaan kvarkit ja leptonit. Perushiukkasten ajatellaan olevan pistemäisiä (ei sisäistä rakennetta). Perushiukkasia ja kvarkeista muodostuneita hiukkasia kutsutaan alkeishiukkasiksi.

2 Hiukkasfysiikan standardimalli Perushiukkasia ja niiden vuorovaikutuksia kuvaavaa teoriaa kutsutaan hiukkasfysiikan standardimalliksi. Vuosina kehitetty standardimalli on ns. kvanttikenttäteoria. Standardimalli on sopusoinnussa kvanttimekaniikan ja suppeamman suhteellisuusteorian kanssa. Standardimalli yhdistää yhdeksi teoriaksi kaikki tunnetut perushiukkaset ja vuorovaikutukset välittäjähiukkasineen lukuun ottamatta gravitaatiota.

3 Standardimalli Standardimallin mukaan perushiukkaset jakautuvat kolmeen perheeseen, jotka ovat elektronin, myonin ja taun perheet. Jokaiseen perheeseen kuuluu neljä perushiukkasta, kaksi leptonia ja kaksi kvarkkia.

4 Kaikki näkyvä aine rakentuu elektronin perheen hiukkasista. Kvarkit eivät esiinny koskaan yksin, vaan ne muodostavat jonkin hiukkasen (kvarkit esiintyvät pareittain tai kolmittain).

5 Vuorovaikutukset standardimallissa Perusvuorovaikutukset: perushiukkasten välillä tapahtuvat vuorovaikutukset. Perusvuorovaikutuksia ovat: sähkömagneettinen vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus, heikko vuorovaikutus ja gravitaatiovuorovaikutus. Gravitaatiovuorovaikutus ei ole mukana standardimallissa. Perusvuorovaikutukset selitetään välittäjähiukkasten avulla.

6 Välittäjähiukkaset Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on fotoni. Selittää esim. atomin elektronien sitoutumisen ja elektronin ja positronin vuorovaikutuksen. Ei lepomassaa, vaikka kuljettavat liikemäärää. Vahvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkasina toimivat gluonit (8 erilaista). Gluonit ovat massattomia. Vahva vuorovaikutus pitää alkeishiukkasen kvarkit yhdessä. Vahva vuorovaikutus pitää myös atomiytimen kasassa. Heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkasia ovat välibosonit Heikko vuorovaikutus ilmenee mm. beeta-hajoamisessa. Välibosonien massa lähes satakertainen protoniin nähden.

7 Gravitaatiovuorovaikutus Ei kuulu standardimalliin Vaikuttaa kaikkien massallisten hiukkasten välillä. Kaikista perusvuorovaikutuksista heikoin. Oletettu välittäjähiukkanen on nimeltään gravitoni. Gravitaation yhdistäminen standardimalliin on yksi hiukkasfysiikan suurista haasteista. Standardimallissa hiukkasten massat selitetään ns. Higgsin kentän avulla.

8 Alkeishiukkaset Hadronit Baryonit ovat kolmen kvarkin muodostamia hiukkasia (esim. protonit ja neutronit). Mesonit ovat kvarkin ja antikvarkin muodostamia hiukkasia. Jokaisella hiukkasella on antihiukkanen (elektronilla positroni, kvarkeilla antikvarkit, ) Antihiukkasella on sama massa kuin hiukkasella. Antihiukkasella on vastakkainen varaus kuin hiukkasella. Kun hiukkanen ja antihiukkanen kohtaavat, ne annihiloituvat, ja niiden massaan sitoutunut energia vapautuu sähkömagneettisena säteilynä. Fotoni voi toisaalta muuttua elektroni- positronipariksi. Antihiukkasista muodostunutta ainetta kutsutaan antiaineeksi

9 Hiukkasten tutkiminen Alkeishiukkasten rakenteen ja vuorovaikutuksen tutkimiseen käytetään hiukkaskiihdytintä. Lineaarikiihdytin: peräkkäisiä suoria tyhjiöputkia, joiden välissä kiihdyttävä sähkökenttä. Kehäkiihdytin: ympyrän tai spiraalin (syklotroni) muotoinen kiihdytysrata Synkrotroni: hiukkaset pidetään ympyräradalla vahvistamalla magneettikenttää hiukkasten nopeuden kasvaessa. Kiihdytetty hiukkanen törmäytetään ilmaisimessa toiseen kiihdytettyyn hiukkaseen tai kohtioaineeseen. Maailman suurin hiukkaskiihdytin LHC (Large Hadron Collider) löytyy Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksesta CERNistä.

10 Viimeaikaisia löytöjä Vuonna 2012 CERNissä löydettiin todisteita ns. Higgsin bosonin olemassaolosta Fysiikan Nobel 2013 hiukkasen olemassaolon ennustaneille Higgsille ja Englertille Vuoden 2015 fysiikan Nobel neutriinovärähtelyjä tutkineille Kajitalle ja McDonaldille Osoittivat neutriinoilla olevan massaa Massa mahdollistaa neutriinojen muuntumisen kahden eri muodon välillä Neutriinojen muuntuminen selittää miksi auringosta havaitaan tulevan ennustettua vähemmän neutriinoja. Vuoden 2016 alussa löydettiin todisteita gravitaatioaalloista.

11 Tulevaisuuden haasteita Gravitoni: gravitaatiovuorovaikutuksen välittäjähiukkanen Ei ole havaittu (vielä). Havaittujen gravitaatioaaltojen ajatellaan koostuvan gravitoneista samaan tapaan kuin sähkömagneettisen säteilyn ajatellaan koostuvan fotoneista. Pimeä aine Galakseissa olevaa meille näkymätöntä ja heikosti tavallisen aineen kanssa vuorovaikuttavaa ainetta Suurin osa aineesta on pimeää ainetta. Toistaiseksi ei tiedetä mitä pimeä aine on: kenties sammuneita tai syttymättömiä tähtiä, neutriinoja, mustia aukkoja, ruskeita kääpiötähtiä tai tuntemattomia eksoottisia hiukkasia Erään teorian mukaan pimeä aine voisi olla ns. supersymmetrisiä hiukkasia. Supersymmetriateorian mukaan jokaisella fysiikan standardimallin hiukkasella olisi supersymmetrinen pari (ei vielä ainakaan löydetty)

12 Pimeä energia Jonkinlainen painovoiman vastavoima. Jakautuu arvioiden mukaan tasaisesti maailmankaikkeudessa. Laajentaa avaruutta kaikkialla: siksi maailmankaikkeus laajenee kiihtyvästi.