Hiukkasfysiikan luento 21.3.2012 Pentti Korpi Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura
Atomi Aine koostuu molekyyleistä Atomissa on ydin ja fotonien ytimeen liittämiä elektroneja Ytimet muodostuvat protoneista ja neutroneista Protonit ja neutronit muodostuvat gluonien toisiinsa liittämistä kvarkeista Kvarkeilla, gluoneilla, elektroneilla ja fotoneilla ei ole rakennetta eikä kokoa. Kvarkit ja leptonit ovat korkeintaan 1000. osa protonin koosta
Kokeet paljastavat rakenteita Elektronit ja kvarkit vaikuttavat yhä edelleen läpäisemättömiltä, pistemäisiltä esineiltä ilman rakennetta. Fotonit sitovat elektronit ytimeen, samoin gluonit sitovat kvarkit toisiinsa. Gluonit ja fotonit ovat sidoksia muodostavia hiukkasia. Pienimpien aineen osien etsiminen on ehkä päättymässä. Hiukkasfysiikan standardimallin matemaattinen sääntöjoukko sisältää tunnetut asiat ja luo niiden välille yhteyksiä. Standardimalli on viitekehys, joka yhdistää viime vuosikymmenien kuluessa löydetyn uuden tiedon siihen, mitä fysikaalisesta maailmasta on tiedetty aiemmin. Kokeiden ja standardimallin ansiosta voimme päätellä, että kvarkit ja elektronit ovat luonnon perusrakenneosat.
Neutriinot löytyivät ensin Neutriinot ovat häviävän pieniä eikä mikään voima sido niitä, niitten vaikutus toisiin hiukkasiin on pieni. Ylös- ja alas -kvarkkien jälkeen löytyivät lumo-, outo-, huippu- ja pohjakvarkit. Sitten löytyivät myoni ja tau, jotka yhdessä elektronin ja neutriinojen kanssa muodostavat leptonien joukon Uusia vuorovaikutuksia löytyi. Tällainen on hajoaminen, jolloin hiukkanen voi muuttua kahdeksi tai useammaksi hiukkaseksi. Vuorovaikutukset voivat hävittää tai absorboida alkuperäisen hiukkasen ja luoda lopulliset hiukkaset Heijastuminen on tapahtuma, jossa peilin yksi atomi absorboi ja tuhoaa peiliin tulevan fotonin, minkä jälkeen jokin peilin atomi emittoi peilistä uuden fotonin Elektroni on ikuinen, mutta myoni tai raskas kvarkki hajoaa alle sekunnin miljoonasosassa Standardimallin kannalta kaikki hiukkaset ovat samanarvoisia. Hiukkanen luokitellaan massan, spinin, kolmen varauksen (sähköisen, värin, heikon varauksen sekä kolmen lukumerkin (baryoniluvun, leptoniluvun ja kvarkkilajeihin perheluvun) mukaan. Voimme ennustaa, miten monta hiukkasta tietyssä törmäyksessä syntyy, mikä on kunkin hiukkasen elinikä jne.
Ainehiukkaset
Hiukkasia ja voimia
Antihiukkaset Vuonna 1928 Paul Dirac todisti, että jokainen teoria, joka sisältää sekä kvanttimekaniikan että Einsteinin suppeamman suhteellisuusteorian edellyttää, että jokaisella hiukkasella on partneri. Standardimallilla on tämä ominaisuus. Dirac osoitti, että jos yhtälöillä on hiukkasta vastaava ratkaisu, niillä on myös toista hiukkasta vastaava ratkaisu. Toinen hiukkanen on muuten samanlainen kuin ensimmäinen, mutta kaikkien varausten merkit ovat vastakkaiset Antihiukkasetkin ovat vain hiukkasia ja hiukkasparin luokittelu aineeksi eli materiaksi ja antiaineeksi on lähinnä sopimus. Antihiukkasten olemassa olo ennustettiin puhtaasti teoreettisin perustein. Antihiukkasten keksimisen toinen poikkeuksellinen piirre oli, että teorian ohjaama ihmisen ajattelu onnistui ennustamaan aikaisemmin tuntemattoman luonnon piirteen olemassaolon.
Perheet Standardimalli kuvaa myös neutriinojen vuorovaikutukset oikein. Elektroni, myoni ja tau näyttävät eroavan toisistaan vain massansa suhteen. Massat Elektronin voi korvata myös perheen neutriino ja toisin päin. Elektronin voi myös korvata myonin tai taun neutriino ja toisin päin. voidaan ilmoittaa suhteena protonin massaan, jolloin yksikköä ei tarvita. Elektronille suhde on 1/1836, myonille 1/9 ja taulle 1,9. Elektronien Leptoniperheiden välillä on myös selkeä kaikkien tunnettujen ominaisuuksien ja raja. Elektronit esiintyvät atomeissa, joista vuorovaikutuksien ennustukset riippuvat vain elektronin massan arvosta. Jos elektronin massa me koostumme. Myonilla ja taulla on erittäin korvataan myonin massalla, saadaan vastaavat lyhyt elinikä ja niitä syntyy vain hiukasten myonin ennustusten arvot. Vastaavasti toimivat törmäyksissä ja kosmisissa säteissä. taun ennustukset. Ne on todennettu kokeellisesti.
Standardimalli Standardimalli kuvataan voimien vaikutuksen alaisten hiukkasten eli aineen, kvarkkien ja leptonien, sekä voimaa välittävien hiukkasten avulla. Voimaa välittävät mittabosonit (fotonit, gluonit ja W- ja Z-bosonit) ja Higgsin bosonit. Higgsin bosonien vuorovaikutus hiukkasiin on se, että hiukkaset saavat massan.
Kvarkit Kvarkkien jakauma muistuttaa leptooneja. Kvarkkia on kuutta makua, jotka ovat kasvavan massan mukaisessa järjestyksessä ylös (u,up), alas (d,down), outo (s,strange), lumo (c,charm), pohja (b,bottom,beauty) ja huippu(t,top,truth). Ylös-, lumo- ja huippukvarkkien varaus on -2/3 elektronin varaksesta ja alas-, outoouto ja pohjakvarkkien varaus on +1/3 elektronin varauksesta. Kvarkitkin esiintyvät kolmessa perheessä, jotka muistuttavat toisiaan paitsi massan suhteen. Kvarkkien massat ovat suhteessa protonin massaan ylös (noin 1/235), alas (1/135), outo (1/6), lumo (1,6), pohja (5,2) ja huippu (170). Kvarkit voivat leptonien tapaa muuttua perheen sisällä. Esim. u voi muuttua d-kvarkiksi ja päinvastoin (u<->d). Lisäksi niillä on pieni mahdollisuus muuttua kvarkiksi, jolla on eri sähkövaraus, u<->s ja u<>b (mutta ei u<->c tai u<->t) ja jne. Kvarkeilla on kuitenkin uudenlainen varaus, jota leptoneilla ei ole: värivaraus. Sähkövarauksesta poiketen värivaraus ei esiinny jokapäiväisessä maailmassa. Sen ilmenemismuodot ovat epäsuoria. Sitä sanotaan väriksi, koska kvarkkien säännöt muistuttavat väriopin sääntöjä, joilla perusväreistä syntyy valkea valo. Värivaraus on kuitenkin mielivaltainen käsite, eikä sillä ole yhteyttä todellisiin väreihin.
Voimat ja niitä välittävät hiukkaset eli bosonit Standardimalli on heikon, sähkömagneettisen ja vahvan voiman teoria. Gravitaatio on toistaiseksi sivustakatsoja. Hiukkasten painovoimaan perustuvat vuorovaikutukset ovat paljon heikompia kuin hiukkasten väliset vuorovaikutukset. Standardimalli on kvanttiteoria. Kentän energia ja liikemäärä ovat kvantittuneet. Energian ja liikemäärän kvanttia kutsutaan fotoniksi. Fotoni ja muut kvanttikentästä voimaa välittävät hiukkaset ovat bosoneja. Fotonit ovat elektronit ytimeen sitova liima. Sähkömagneettinen voima vaikuttaa jokaiseen sähkövarausta kantavaan hiukkaseen eli leptoneihin: elektroniin, myoniin tai tauhun, kaikkiin kvarkkeihin ja Wbosoniin.
Heikko vuorovaikutus Heikko voima välittyy heikon kentän synnyttämällä kvantilla samaan tapaan kuin sähkömagneettinen kenttä välittyy fotonin vaikutuksesta. Hiukkasten heikolla varauksella on enemmän vaihtoehtoja kuin sähkövarauksella, joten sen välittämiseen tarvitaan kolme bosonia. Ne ovat www+, Z ja www-. Ne luetaan www- plus, Z- nolla ja www- miinus. Heikon voiman kantama on hyvin lyhyt. Leptonin ja kvarkin ympärillä oleva heikko kenttä ei ulotu hetikään yhtä kauas kuin sähkömagneettinen kenttä. Heikkoa varausta kantavat hiukkaset, kaikki kvarkit ja leptonit. Myös www+, Z ja www- tuntevat heikon voiman. Vain fotonit ja gluonit eivät tunne sitä. Heikko vuorovaikutus ei pysty sitomaan hiukkasia atomeiksi, mutta se saa useimmat hiukkaset epävakaiksi keveintä ylös-kvarkkia ja keveintä leptonia eli elektronia lukuun ottamatta. Heikolla voimalla on olennainen osuus auringon sisäisissä prosesseissa. Se pitää yllä auringon energiatuotantoa ja rakentaa raskaita alkuaineita. Ensimmäisessä vaiheessa kaksi protonia törmäävät toisiinsa ja tuottavat neutriinon, positronin ja deuteronin eli ytimen, jossa on yksi protoni ja yksi neutroni. Se on W-bosonin välittämää heikkoa vuorovaikutusta.
Värivoima ja vahva vuorovaikutus Vahva vuorovaikutus välittyy gluonien vaihdolla. Gluonit ovat värivarausta kantavien hiukkasten synnyttämän värikentän kvantteja. Vain kvarkit ja gluonit itse kantavat värivarausta, mutta leptonit, sähkömagneettisen kentän kvantit w+, Z ja w- eivät Värivoiman kaikkien piirteiden välittyminen edellyttää kahdeksaa gluonia, joilla on eri väri. Vahva voima liittää kvarkit protoneiksi ja neutroneiksi, joilla ei ole nettovarausta. Samaan tapaan kuin sähkökenttä vuotaa atomista ja mahdollistaa molekyylien synnyn, värivoima vuotaa protoneista ja neutroneista. Heikko värivoima ilmenee ydinvoimana, joka sitoo protonit ja neutronit toisiinsa kemiallisten alkuaineiden atomien ytimissä. Kaikilla hiukkasilla on vielä yksi ominaisuus, spin, joka muistuttaa tavanomaista esineen pyörimistä akselinsa ympäri. Hiukkasen spinin määrä voidaan ilmaista Planckin vakion h avulla. Koska kvanttiteoriassa asiat ilmenevät paketteina, hiukkasten spin voi olla 0,1/2, 1, 3/2, jne. Spinin yksikkö on aina h/2π, joten yksikköä ei tavallisesti merkitä näkyviin. Perushiukkasilla esiintyy vain sarjan kolme ensimmäistä arvoa. Higgsin bosonin spin on 0. Kvarkkien ja leptonien spin on 1/2 ja sähkömagneettisen, heikon ja värikenttien voimaa välittävien hiukkasten, fotonin, w+, Z ja w- -bosonien ja gluonien spin on 1. Niitä hiukkasia, joiden spin on perusyksikön monikerran puolikas sanotaan fermioniksi. Nimi on annettu italialaisen fyysikon Enrico Fermin mukaan. Vain kvarkit ja leptonit ovat näitä hiukkasia. Niitä, joiden spin on perusyksikön kokonaisluvun monikerta,fotoni, w+, Z ja w- ja gluonit, sanotaan bosoniksi intialaisen fyysikko Satyaendra Nath Bosen mukaan.
Symmetriat Alkeishiukkasfysiikan kenttäteorioiden rakenne on matemaattinen ja perustuu symmetrioihin. Esimerkiksi kvarkkien kolme värivarausta muodostavat eräänlaisen sisäavaruuden. Kvarkkien vuorovaikutuksia kuvaavan vahvan voiman kvanttikromodynamiikan (QCD) luonteen määrää vaatimus että, että energiatasot säilyvät samoina, kun kvarkkien värejä vaihdellaan toisikseen. Kvarkkivärien välillä vallitsee symmetria. Myös elektroni ja neutriino voitaisiin korvata toisillaan. Hiukkasfysiikan standardimallissa symmetrioita on kolme: vahvaa voimaa heikkoa voimaa ja sähkömagneettista voimaa.
Higgsin fysiikka Higgsin bosonit, mikäli ne ovat olemassa, ovat uudenlaisen hiukkasille massan antavan vuorovaikutuksen välittäviä bosoneja. Standardimalli ennustaa Higgsin bosonin olemassaolon. Perusmuodossaan standardimalli on massattomien hiukkasten oppi Higgsin kenttä kuitenkin on olemassa. Oletettavasti sen bosonikin vielä löydetään. Silloin standardimalli on vasta valmis.