Subatomiset hiukkaset: alkeishiukkaset, kvarkit ja antihiukkaset
Tutustu subatomisiin hiukkasiin: alkeishiukkaset, kvarkit ja antihiukkaset — hiukkasfysiikan perusteet, ominaisuudet ja energiaa vapauttavat törmäykset.
Subatominen hiukkanen on atomia pienempi hiukkanen. Tämä tarkoittaa, että se on valtavan pieni: tyypillisesti kokoluokkaa paljon pienempi kuin atomin ytimen säde (ytimen koko on usein järjestyksessä 10−15 metriä eli femtometri). Kuten atomit ja molekyylit, myös subatomiset hiukkaset ovat liian pieniä nähtäviksi paljain silmin, ja niiden olemassaolo ja ominaisuudet selviävät mittauksista hiukkashavaintolaitteilla ja kiihdyttimillä. Niitä tutkivat fysiikan asiantuntijat, kuten tiedemiehille sopivissa laboratorioissa. Yleisimmin tutkittavat subatomiset hiukkaset ovat atomien rakennuspalikat: protonit, neutronit ja elektronit. Subatomisten hiukkasten tutkimusta kutsutaan hiukkasfysiikaksi, ja sen avulla ymmärretään aineen perusrakennetta ja luonnonlakeja.
Subatomisia hiukkasia vaikuttavat usein jonkin neljästä perusvoimasta: painovoima, sähkömagneettinen voima, vahva voima ja heikko voima. Näitä voimia välittävät eri hiukkaset (esimerkiksi fotoni välittää sähkömagneettista vuorovaikutusta ja gluonit vahvaa vuorovaikutusta), ja ne määräävät, miten subatomiset hiukkaset sitoutuvat toisiinsa tai hajoavat. Esimerkiksi atomin ytimessä protonit ja neutronit pysyvät koossa vahvan vuorovaikutuksen ansiosta, vaikka protonien välillä on sähkövarausten repulsiota. Atomin ulkopuolella monet subatomiset hiukkaset liikkuvat hyvin lähellä valonnopeutta, mikä tekee suhteellisuusteorian vaikutuksista merkittäviä mittauksissa.
Subatomiset hiukkaset voidaan luokitella monella tavalla. Yksi yleinen jako on kahteen ryhmään, baryoneihin ja leptoneihin, mutta kokonaisuudessaan hiukkasia käsitellään myös osana niin sanottua Standardimallia, jossa on fermioneja (aineen rakennuspalikat) ja bosoneja (vuorovaikutusten välittäjät).
Baryonit ovat hadroneiksi kutsuttuja hiukkasia, jotka koostuvat kvarkeista. Useimmat baryonit muodostuvat kolmesta kvarkista, ja niillä on tietty baryoniluku: reaktioissa baryoniluvun on säilyttävä, eli baryonien nettomäärä ennen ja jälkeen reaktion pysyy samana. Kvarkkeja on kuusi ”makua”: ylös- (up), alas- (down), outo- (strange), charm- (charm), ylä- (top) ja ala- (bottom) kvarkki. Protonin rakenne on kaksi ylä- ja yksi alakvarkki (uud), ja neutroni koostuu yhdestä ylä- ja kahdesta alakvarkista (udd). Kvarkit kantavat murtosähkövarausta (+2/3 tai −1/3 e), värivarausta (color charge) ja ne sitoutuvat toisiinsa vahvalla vuorovaikutuksella, jota välittävät gluonit. Kvarkit eivät esiinny vapaana irtonaisina hiukkasina käytännössä johtuen kvarkkien konfinaatiosta (värivaraus sitoo ne yhteen).
Leptonit ovat perushiukkasia, joita ei ole osoitettu koostuvan vielä pienemmistä osista; niitä pidetään alkeishiukkasiksi. Tähän luokkaan kuuluvat elektronit, muonit, taus ja eri tyyppiset neutriinot. Elektroni on vakaa ja muodostaa atomin elektronikuoren, kun taas muoni ja tau ovat raskaita ja radioaktiivisia eli hajoavat nopeasti. Neutriinot ovat erittäin heikosti vuorovaikuttavia ja niillä on hyvin pieni massa — niille on tyypillistä myös neutriino-oskillaatiot, joissa neutriinon makutila muuttuu matkalla.
Jokaiselle hiukkastyypille on olemassa myös vastaava antihiukkanen. Antihiukkasilla on sama lepomassa (massa) kuin niiden vastaavilla hiukkasilla, mutta niillä on päinvastaiset kvanttiluvut, esimerkiksi sähkövaraus kääntyy. Aineen ja antiainesynnyin kohtaaminen voi johtaa annihilaatioon: hiukkanen ja antihiukkanen hajotessaan muuttavat massansa energiaksi, usein fotoneiksi (gammasäteilyksi). Tämä vapautuva energia vastaa suhteellisuusteorian mukaista lauseketta E=mc2, jossa m on hiukkasten yhteenlaskettu massa, c on valonnopeus ja E on vapautuva energia. Annihilaatioita ja parinmuodostusta (energia → hiukkanen + antihiukkanen) havainnoidaan usein suurissa hiukkaskiihdyttimissä, joissa kineettinen energia voidaan muuntaa uusiksi massoiksi ja syntyy usein raskaita, lyhytikäisiä hiukkasia.
Suurin osa uusista hiukkasista löydetään kiihdyttämällä hiukkasia ja törmäyttämällä niitä toisiaan vastaan; törmäyksissä syntyy suuria hiukkassuihkuja, joista tunnistetaan lyhytikäisiä hiukkasia niiden hajoamistuotteiden avulla. Koska osat liikkuvat usein lähellä valon nopeutta, erityissuhteellisuuden lait tulevat keskeisiksi: muun muassa hiukkasten elinaika mitattuna laboratorioavaruudessa pitenee suhteellisuusteorian takia (aika laajenee/ajan dilaatio). Tämän ansiosta hyvin lyhytaikaisetkin hiukkaset voivat matkustaa mitattavan matkan ennen hajoamistaan.
Nykyisessä hiukkasfysiikassa keskeinen kuvaus on Standardimalli, joka luettelee tunnetut alkeishiukkaset ja niiden välittäjähiukkaset: fotoni välittää sähkömagneettista vuorovaikutusta, gluonit vahvaa vuorovaikutusta, W± ja Z0 heikkoa vuorovaikutusta ja Higgsin bosoni liittyy hiukkasten massan syntyyn. Gravitaatio ei kuulu Standardimalliin; sen mahdollinen kvanttivälittäjä, graviton, on hypoteettinen. Hiukkasfysiikassa tutkitaan myös ilmiöitä kuten CP-vikavika ja aine–antiaine-epäsymmetria, jotka liittyvät siihen, miksi maailmankaikkeudessa näkyy enemmän tavallista ainetta kuin antiainetta.
Subatomisten hiukkasten tutkimus koskettaa monia sovelluksia ja ilmiöitä: paitsi perusfysiikan ymmärrystä, tuloksia hyödynnetään esimerkiksi lääketieteessä (PET-kuvantaminen perustuu positronien annihilaatioon), säteilyturvallisuudessa ja materiaalitutkimuksessa. Tutkimus etenee sekä kokeellisten suurlaitteiden että tarkkojen teoreettisten mallien avulla, ja uusia hiukkasia ja ilmiöitä etsitään edelleen.
Kysymyksiä ja vastauksia
Kysymys: Mikä on subatominen hiukkanen?
A: Subatomihiukkanen on atomia pienempi hiukkanen, jota ei voi nähdä paljain silmin.
K: Mitkä ovat yleisimmin tutkittuja subatomisia hiukkasia?
V: Yleisimmin tutkittuja subatomisia hiukkasia ovat protonit, neutronit ja elektronit.
K: Mitkä voimat pitävät atomeja yhdessä?
V: Atomeja pitää yhdessä jokin neljästä perusvoimasta - painovoima, sähkömagneettinen voima, vahva voima tai heikko voima.
K: Kuinka nopeasti subatomiset hiukkaset liikkuvat?
V: Subatomiset hiukkaset liikkuvat usein hyvin nopeasti - lähes valonnopeudella (noin 300 000 kilometriä sekunnissa).
K: Ovatko baryonit ja leptonit erityyppisiä hiukkasia?
V: Kyllä, baryonit koostuvat kvarkkeista, kun taas leptonien ajatellaan kuuluvan pienimpiin hiukkasiin, joita kutsutaan alkeishiukkasiksi.
K: Onko antihiukkasilla vastakkaiset sähkövaraukset verrattuna niiden tavallisiin vastineisiin?
V: Kyllä, antihiukkasilla on sama massa kuin niiden normaaleilla vastineilla, mutta niillä on vastakkainen sähkövaraus.
K: Mitä tapahtuu, kun aine ja antiaine törmäävät? V: Kun aine ja antiaine törmäävät toisiinsa, ne tuhoavat toisensa vapauttamalla valtavasti energiaa, joka vastaa arvoa E=mc2, jossa m on hiukkasten yhteenlaskettu massa, c on valonnopeus ja E on tuotettu energia.
Etsiä