Hiukkasfysiikka

Perusvoimat

Hiukkaset voivat kantaa perusvoimia. Esimerkiksi fotonit kantavat sähkömagneettista voimaa. Neljä perusvoimaa ovat vastuussa lähes kaikesta fysiikassa. Nämä perusvoimat ovat painovoima, sähkömagnetismi, heikko vuorovaikutus ja vahva vuorovaikutus.

Standardimalli

Yksi hiukkasfysiikan tärkeistä käsitteistä on nimeltään standardimalli. Standardimalli on teoria, joka pyrkii selittämään perusvoimat. Standardimalli yhdistettynä yleiseen suhteellisuusteoriaan on tällä hetkellä hyväksytyin selitys maailmankaikkeuden toiminnasta.

Standardimallissa tiedetään olevan ongelmia. Se esimerkiksi selittää hyvin kolme neljästä voimasta, mutta se ei pysty selittämään painovoimaa. Siksi yleinen suhteellisuusteoria, joka on erilainen teoria, joka selittää, mistä painovoima tulee, on otettava mukaan, jotta fyysikot voivat selittää maailmankaikkeuden. Teorian parantamiseksi ja/tai paremman teorian löytämiseksi tehdään paljon työtä. Tätä työtä kutsutaan usein teoreettiseksi hiukkasfysiikaksi, koska siinä on kyse parempien hiukkasteorioiden rakentamisesta. Teoreettiset hiukkasfyysikot tekevät teorioita, joilla yritetään parantaa Standardimallia. Yksi esimerkki tästä on se, että on olemassa monia teorioita, jotka ennustavat löytämättömiä hiukkasia.

Collider

Fyysikot saavat tietoa hiukkasista tutkimalla eri hiukkasten välisiä törmäyksiä. Hyvä esimerkki siitä, miten fyysikot tutkivat hiukkasia törmäysten avulla, on auto-onnettomuus. Kuvitellaan, että joku haluaisi tutkia autojen sisälle. Törmäämällä kaksi autoa yhteen erittäin suurella nopeudella voimme hajottaa autot osiin ja nähdä niiden sisälle. Samalla tavalla fyysikot törmäyttävät kaksi hiukkasta yhteen rikkoakseen ne ja tutkiakseen niiden sisäpuolta.

Jos hiukkaset liikkuvat hyvin suurilla nopeuksilla, osa niistä hajoaa törmätessään. Kun ne hajoavat, ne luovat uusia pienempiä hiukkasia. Näitä hiukkasia on hyvin vaikea löytää ja havaita, koska ne hajoavat (muuttuvat kevyemmiksi hiukkasiksi) hyvin nopeasti. Nykyaikaisessa hiukkasfysiikassa hiukkasia törmäytetään toisiinsa erittäin voimakkaasti, jotta hiukkaskiihdyttimessä syntyisi uusia hiukkasia. Tätä kutsutaan suurienergiseksi fysiikaksi, koska siihen tarvitaan paljon energiaa.

Monet hiukkaset, kuten elektronit, eivät kuitenkaan yksinkertaisesti hajoa. Koska elektroni ei hajoa, sitä kutsutaan perushiukkaseksi. Jos kaksi huippunopeaa elektronia isketään yhteen, ne eivät hajoa, vaan ne saattavat luoda ympärilleen lisää hiukkasia hajoamatta (tämä on toinen hajoamisen muoto, hadronisuihku). Standardimallin mukaan perushiukkasia on 17 erilaista, mutta niitä on itse asiassa kaksi kertaa enemmän, koska ne kaikki voidaan luoda antiaineesta.

Sovellus

Hiukkasfysiikka voi auttaa meitä oppimaan varhaisesta maailmankaikkeudesta, koska hiukkasten törmäysten avulla voidaan luoda pienessä tilavuudessa olosuhteita, jotka muistuttavat varhaisen maailmankaikkeuden olosuhteita (joka oli paljon nykyistä energisempi paikka). Maailman suurin hiukkaskiihdytin on Euroopan CERNissä sijaitseva Large Hadron Collider.