Elementærpartikkel, fundamental, subatomær partikkel. Se også elementærpartikkelfysikk.

Etter at Ernest Rutherford i 1911 fant at atomet ikke var udelelig, men besto av mindre partikler, og fram til 1932, regna en 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 en positronet, elektronets antipartikkel, dvs. det har samme egenskaper som elektronet, men har motsatt ladning. Samme år fant en 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 en seinere 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 betadesintegrasjon, dvs. at visse atomkjerner kan sende ut elektroner, satte W. Pauli fram hypotesen om at det fantes et nøytralt lepton med liten eller ingen hvilemasse. Dette ble kalt nøytrino.

Etter hvert fant en svært mange sterkt vekselvirkende partikler, både baryoner (av disse er nukleonet er det vanligste) med halvtallig spinn og mesoner med heltallig spinn. Dette gjorde at en 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 fram 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 regna en med tre ulike 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) elementærladninga. 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 alfapartikler 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-antikvarkpar, og gluoner (bosonene som formidler sterk vekselvirkning). Men en har aldri påvist frie (isolerte) kvarker eller gluoner; de vil alltid være bundet til et hadron.

Kvarkbildet slo igjennom for alvor i 1974, da en 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 besto av en ny type kvark c (eng. charm) og en tilsvarende antikvark.

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 10–18 m. Antipartikkelen til et fermion f, betegnes gjerne f med en strek over.(eng. f-bar). Det finnes tre leptoner med ladning –1 : elektronet e, myonet μ og tauleptonet (tauonet) τ, med hver sin nøytrinotype νe, νμ og ντ, som alle er elektrisk nøytrale. At νe 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, 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, så langt man har målt hittil, er bevart for alle prosesser som observeres i ett og samme laboratorium. Et godt eksempel er prosessen μ→ eνeνμ. 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 sola og hit til jorda) og observeres der, har en 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.

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» . 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 betadesintegrasjon 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. Det letteste nøytrinoet må 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.

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 3 x 3 = 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 som ble oppdaget i 2011, og har  masse ca. 125 GeV.

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
Higgs-boson H 126 x10^3 0
Gluon g 0 stabil 0

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.