fundamental, subatomær partikkel. Se også elementærpartikkelfysikk.
Historikk
Etter at Ernest Rutherford i 1911 fant at atomet ikke var udelelig, men bestod av mindre partikler, og frem til 1932, regnet man med at atomet var satt sammen av to typer elementærpartikler, elektronet, som er bærer av negativ elektrisitet, og protonet som er bærer av positiv elektrisitet. I 1932 fant man positronet som er elektronets antipartikkel, dvs. det har samme egenskaper som elektronet, men har motsatt ladning. Samme år fant man også nøytronet, som har omtrent samme masse som protonet, men som er elektrisk nøytralt. Protonet og nøytronet er begge med på å bygge opp atomkjernen, og kalles med et fellesnavn for nukleoner.
I kosmisk stråling fant man senere myonet, π-mesonet (pionet) og K-mesonet. Myonet og elektronet, som begge har spinn ½, og ikke deltar i sterk vekselvirkning (kjernekrefter), ble kalt for leptoner. For å forklare beta-desintegrasjon, dvs. at visse atomkjerner kan sende ut elektroner, satte W. Pauli frem hypotesen om at det fantes et nøytralt lepton med liten eller ingen hvilemasse. Denne ble kalt nøytrino.
Etter hvert fant man svært mange sterkt vekselvirkende partikler, både baryoner med halvtallig spinn (nukleonet er det vanligste) og mesoner med heltallig spinn. Dette gjorde at man fikk mistanke om at hadronene, dvs. baryoner og mesoner, ikke var elementære, men var satt sammen av mindre partikler. I 1964 satte M. Gell-Mann og G. Zweig uavhengig av hverandre frem hypotesen om at hadronene var satt sammen av kvarker (eng. quarks) med spinn ½, slik at baryonene inneholder tre kvarker, og mesonene en kvark og en antikvark.
Til å begynne med regnet man med tre forskjellige kvarktyper som etter hvert fikk navnene u, d, s. (av eng. up, down, strange). Ifølge teorien skulle u-kvarken ha elektrisk ladning +2/3, mens d- og s-kvarken skulle ha ladning –1/3 av (den positive) elementærladningen. Protonet skulle bestå av to u-kvarker og en d-kvark og nøytronet av to d-kvarker og en u-kvark, slik at protonet får ladning +1, og nøytronet blir elektrisk nøytralt. Nukleonet har en radius på ca. 1 fermi = 10–15 m. Videre skulle π+- mesonet bestå av en u-kvark og en anti-d kvark (d¯), og K–-mesonet av en s-kvark og en anti-u kvark (ū).
Omkring 1970 utførte man ved Stanford Linear Accelerator Center, SLAC, i California, USA et eksperiment der elektroner med en energi mellom 1 og 10 GeV ble skutt mot protoner. (1 GeV = 109 eV, elektronvolt. Partikkelmasser måles ofte i enheten GeV/c2, der c er lysfarten.) Resultatene fra disse eksperimentene viste at nukleonet består av mindre deler, som ble kalt partoner. Dette eksperimentet hadde en viss analogi med E. Rutherfords eksperiment da han skjøt alfa-partikler mot atomet for å påvise at det bestod av mindre deler.
Etter hvert viste det seg at det blant disse partonene for det første var tre kvarker (ofte kalt valenskvarker), og i tillegg, avhengig av energien, noen kvark- antikvark par, og gluoner (bosonene som formidler sterk vekselvirkning). Men man har aldri påvist frie (isolerte) kvarker eller gluoner; de vil alltid være bundet til et hadron.
Kvarkbildet slo igjennom for alvor i 1974, da man fant flere partikler med masser mellom 3 og 4 GeV/c2, kalt ψ(psi)-partikler med egenskaper svært like positronium (dvs. et bundet system av et elektron og et positron). Observasjonene stemte overens med hypotesen at ψ-partiklene bestod av en ny type kvark c og en tilsvarende anti-kvark c¯.
Klassifisering av elementærpartiklene
I dag mener vi at materien er bygd opp av to hovedtyper av elementære fermioner med spinn ½, leptoner og kvarker. Leptonene kan bare delta i elektromagnetisk og svak vekselvirkning, mens kvarkene i tillegg kan delta i sterk vekselvirkning. Det finnes 6 leptontyper og 6 kvarktyper, samt alle deres antipartikler. Disse fermionene har en utstrekning som er mindre enn 10–18m. Antipartikkelen til et fermion f, betegnes gjerne f¯.
Det finnes tre leptoner med ladning –1 : elektronet e–, myonet μ–, og τ–, med hver sin nøytrinotype νe, νμ, og ντ som alle er elektrisk nøytrale. At νμ var forskjellig fra νμ ble vist i 1962 av L. M. Lederman, M. Schwartz og J. Steinberger, som fikk Nobelprisen for dette i 1988. Nøytrinoene deltar bare i svak vekselvirkning, og de har svært liten hvilemasse i forhold til sine elektrisk ladde partnere.
For å systematisere egenskapene til leptonene, har man definert tre typer leptontall, Le, Lμ og Lτ. Verdien av Le for elektronet, e–, og elektronnøytrinoet νe er +1, og deres antipartikler har Le = –1, og alle andre partikler har Le = 0. Tilsvarende for Lμ og Lτ. Baryonene har leptontall null. Disse definisjonene er nyttige fordi det viser seg at de tre leptontallene er, så langt man har målt hittil, bevart for alle prosesser som observeres i ett og samme laboratorium. Et godt eksempel er prosessen μ–→ e–νeνμ. Men når nøytrinostråler med kjente egenskaper beveger seg over makroskopiske avstander fra et sted til et annet (f.eks. et par hundre kilometer, eller helt fra Solen hit til Jorden) og observeres der, har man funnet nøytrino-oscillasjoner, dvs. at en nøytrinotype kan konverteres til en annen. Dette impliserer også at nøytrinoene har masse. Se nøytrino.
Dessverre kan man ikke estimere nøytrinomassene direkte ut fra disse eksperimentene. Man kan bare estimere differansen av de kvadratiske massene, som er svært små, f.eks. av størrelsesorden fra 10–3 eV2 til 10–5 eV2. Fra prosesser observert i ett og samme laboratorium har man hittil (2004) bare kunnet slutte at nøytrinoene νe, νμ og ντ har masser mindre enn henholdsvis 3 eV, 0,19 MeV og 18 MeV.
Materie bygd opp av kvarker, hadronisk materie, har leptontall lik null, men har en annen type ladning som på engelsk kalles flavour. De seks forskjellige kvarktypene er bærere av hver sin type flavour. Det finnes tre kvarktyper med ladning +2/3, kalt u, c, t (av eng.up, charm, top) og tre kvarktyper med elektrisk ladning -1/3, kalt d, s, b (av eng. down, strange, bottom). Flavour er bevart i sterk og elektromagnetisk vekselvirkning, men ikke i svak. Alle kvarkene har baryontall 1/3, og alle antikvarkene -1/3. Kvarkene er også bærere av en type ladning (kvantetall) kalt «farge» (som ikke har noe med vanlig optisk farge å gjøre). Dette kvantetallet kan ha tre mulige verdier, som gjerne kalles «rød», «gul» og «blå». Kvarkene er satt sammen til hadroner (baryoner eller mesoner) slik at de fysiske hadronene er «fargeløse» (eller «hvite»). Eksistensen av farge-kvantetallet ble foreslått for å forklare at baryonet Ω- kunne bestå av tre s-kvarker, alle med spinn langs samme akse. Ifølge pauliprinsippet skal ikke dette være mulig med mindre det finnes et annet kvantetall med forskjellige verdier for de tre s-kvarkene.
De 12 fundamentale fermionene deles inn i tre familier slik at det i hver familie finnes ett lepton med ladning -1, ett nøytralt lepton (nøytrino), en kvark med ladning +2/3 og en kvark med ladning -1/3. De fire fermionene i en familie kan igjen deles inn i en dublett (par) av leptoner og en dublett av kvarker. Den første (og letteste) familien består av leptondubletten (νe, e-) og kvarkdubletten (u,d). Partiklene i denne familien utgjør byggesteinene til vanlige atomer (i tillegg kan beta-desintegrasjon forstås).
Denne dublettstrukturen spiller en sentral rolle i oppbygningen av elektrosvak teori, den forente teorien for elektromagnetisk og svak vekselvirkning. Den andre familien (νμ, μ-) og (c,s) og spesielt den tredje familien (ντ, τ-) og (t,b) representerer tyngre og svært ustabil materie som desintegrerer til lettere materie.
Svært få partikler er stabile. Elektronet er stabilt. Dersom alle nøytrinoene har null masse, må de også være stabile. Dersom de har en (liten) masse, vil bare det letteste nøytrinoet være stabilt. Protonet ser foreløpig ut til å være stabilt, mens et fritt nøytron har en gjennomsnittlig levetid på ca. 15 minutter. (Men et nøytron som er bundet til en kjerne, er som oftest stabilt.) Andre partikler er svært ustabile, med levetider fra 10-6 sekund og enda kortere.
VekselvirkningSpartikler
I tillegg til materiepartiklene, dvs. leptoner og kvarker, finnes det et sett av partikler som kalles vekselvirkningspartikler, kraftformidlere eller justérbosoner (eng. gauge-bosons, se justérteori). Disse er ansvarlige for vekselvirkningene mellom fermionene: Fotonet formidler elektromagnetisk vekselvirkning, og de tunge bosonene W± og Z formidler svak vekselvirkning. At det skulle eksistere slike bosoner ble foreslått allerede i 1930-årene, mens de først ble påvist eksperimentelt i 1983 på CERN i Genève. Disse er svært ustabile (med levetid omkring 10-24 sekund).
Sterk vekselvirkning formidles av 8 gluoner, eller rettere sagt gluonet kan eksistere i 8 forskjellige fargetilstander, rød x anti-blå osv. (Det finnes 3x3=9 slike kombinasjoner, en av dem er fargeløs og regnes ikke med. Dermed får vi 8 gluoner. Et gluon med farge rød x anti-blå vil transformere en blå kvark til en rød kvark).
I 1979 ble gluonet på en indirekte måte, påvist eksperimentelt ved DESY i Hamburg. Alle justérbosonene har spinn 1. Det skal ifølge standard elektrosvak teori også finnes et nøytralt boson med spinn 0, det såkalte higgsbosonet, men dette er ennå ikke påvist eksperimentelt.
De forskjellige elementærpartiklene
| Navn | Symbol | Masse (MeV/c2) | Levetid (s) | Elektrisk ladning (e) |
| LEPTONER | ||||
| Elektron | e– | 0,511 | stabil | –1 |
| Elektronnøytrino | νe | <5 ·10–6 | stabil | 0 |
| Myon | μ– | 105,7 | 2,2 · 10–6 | –1 |
| Myonnøytrino | νμ | 0,27 | ? | 0 |
| Tau | τ– | 1777 | 3 · 10–13 | –1 |
| Taunøytrino | ντ | <31 | ? | 0 |
| HADRONER | ||||
| Proton | p(uud) | 938,3 | <1031 år | +1 |
| Nøytron | n(ddu) | 939,6 | 887 | 0 |
| Omega(-) | Ω–(sss) | 1672 | 0,80 · 10–10 | –1 |
| π-meson (pion) | π+(u alt0198 i fonten MeridienSpesial) | 139,6 | 2,6 · 10–8 | +1 |
| K-meson | K+(u alt0216 i fonten MeridienSpesial) | 493,7 | 1,2 · 10–8 | +1 |
| KVARKER | ||||
| Opp-kvark | u | 2 – 8 | – | +2/3 |
| Ned-kvark | d | 5 – 15 | – | +1/3 |
| Sær-kvark | s | 100 – 300 | 10–8 – 10–10 | +1/3 |
| Sjarm-kvark | c | (1,0 – 1,6) · 103 | 10–12 | +2/3 |
| Bunn-kvark | b | (4,1 – 4,5) ·103 | 10–12 | +1/3 |
| Topp-kvark | t | 1,75 · 105 | (<10–24 ?) | +2/3 |
| JUSTÉRBOSONER | ||||
| Foton | γ | 0 | stabil | 0 |
| W-boson | W± | 80,2 ·103 | 10–24 | ±1 |
| Z-boson | Z | 91,2 · 103 | 10–24 | 0 |
| Higgsboson | H | ? | ? | 0 |
| Gluon | g | 0 | stabil | 0 |