elementærpartikkel
Store norske leksikon,Realfag,Fysikk,Elementærpartikkelfysikk
Elementærpartiklar er dei aller minste, udelelege partiklane i naturen. Alt stoff (all materie) er bygd opp av elementærpartiklar. Den mest kjente elementærpartikkelen er elektronet. Eit atom inneheld eitt eller fleire elektron som bevegar seg rundt ein atomkjerne. Elektrona er bundne til kjernen med elektromagnetiske krefter.
Atomkjernen er sett saman av kjernepartiklar, kalla proton og nøytron. Tidligare trudde ein at protonet og nøytronet var elementære, men i 1970-åra fann ein ut at dei var sett saman av mindre partiklar, kalla kvarkar. Ein kvark er like elementær som eit elektron. Sterk vekselverknad bind kvarkane saman til kjernepartiklar, medan kreftene mellom kjernepartiklane, kjernekrefter, er avleda frå sterk vekselverknad (sjå artikkelen om elementærpartikkelfysikk).Mange partikkelfysikarar har spekulert på om dei minste partiklane me kjenner til no, inneheld endå mindre partiklar. Spesielt har ein lurt på om higgsbosonet er sett saman av mindre delar. Men det finst ikkje (per 2020) observasjonar som tyder på dette. Dei opphavelege partiklane I eit ekstremt lite tidsrom etter big bang inneheldt universet berre elementærpartiklar og deira antipartiklar, og temperaturen var ekstremt høg. Fysikarar har grunn til å tru at det ved big bang blei danna like mange antipartiklar som partiklar. Når ein partikkel møter ein tilsvarande antipartikler vil dei annihilere. Dette vil seia at dei både blir borte og omdanna til energi, til dømes elektromagnetisk stråling (det vil seia foton) eller som andre partiklar. Etter kvart som universet utvida seg og vart kjølt ned, kunne det dannast atomkjernar, atom og molekyl, og stoff kunne klumpe seg og danne planetar, solsystem og galaksar, slik me ser det i dag. Historikk At det skulle finnast ei minste udeleleg stoffmengde er ein ide som skriv seg frå filosofar i det gamle Hellas, som til dømes Demokrit. Denne minste delen vart den gongen kalla atom (sjå historikken for atom). Men det var fyrst med Dalton og Avogadro ved byrjinga av 1800-talet at ideane om atom som minste byggestein igjen kom i fokus. No i moderne tid veit me at atomet er sett saman av endå mindre delar, elementærpartiklane.Ernest Rutherford fann nemleg ut i 1911 at atomet ikkje er udeleleg, men inneheld mindre partiklar. Fram til 1932 rekna ein med at atomet var sett saman av to typar elementærpartiklar, elektronet, som er berar av negativ elektrisitet, og protonet, som er berar av positiv elektrisitet. Eit atom inneheld like mange elektron som proton, slik at atomet er elektrisk nøytralt. I 1932 oppdaga ein så positronet. Positronet er elektronets antipartikkel, det vil seia at det har same eigenskapar som elektronet, men har motsett ladning. Same året oppdaga ein også nøytronet, som har om lag same masse som protonet, men som er elektrisk nøytralt. Protonet og nøytronet er båe med på å byggje opp alle atomkjernar, og kallast med eit felles namn for nukleon.I kosmisk stråling fann ein seinare myonet, \(\pi\)-mesonet (pionet) og K-mesonet (kaonet). Myonet og elektronet, som båe har spinn ½ (eigentleg 1/2 gonger Plancks konstant h delt på 2π), og ikkje deltek i sterk vekselverknad (kjernekrefter), blei kalla for lepton. For å forklåre beta-sundfall (på bokmål beta-henfall), det at visse atomkjernar kan sende ut eit elektron, sette Wolfgang Pauli i 1930 fram hypotesen om at det fanst eit nøytralt lepton med liten eller ingen kvilemasse. Dette blei kalla nøytrino. Beta-sundfall tyder då at eit nøytron (fritt eller inni ein atomkjerne) desintegrerer (går sund, blir omdanna) til eit proton, eit elektron og eit (anti-elektro-) nøytrino. Etter kvart oppdaga ein svært mange sterkt vekselverkande partiklar, både baryon (av desse er nukleonet det vanlegaste) med halvtalsspinn (1/2 , 3/2,...) og meson med heiltalsspinn (0,1,2,...). Dette gjorde at ein fekk mistanke om at alle hadron, det vil seia baryon og meson, ikkje var elementære, men var sett saman av mindre partiklar.I 1964 sette Murray Gell-Mann og George Zweig, uavhengig av kvarandre, fram hypotesen om at hadrona var sett saman av kvarkar (engelsk quarks) med spinn ½, slik at baryona inneheld tre kvarkar, og mesona ein kvark og ein antikvark.I byrjinga rekna ein med tre ulike kvarktypar som kunne forklåre spekteret av dei kjende baryona og mesona. Desse fekk etter kvart namna u, d, s (av engelsk up, down, strange). I fylgje teorien skulle u-kvarken ha elektrisk ladning +2/3, medan d- og s-kvarken skulle ha ladning –1/3 av (den positive) elementærladninga (e). Protonet skulle vera bygd opp av to u-kvarkar og ein d-kvark og nøytronet av to d-kvarkar og ein u-kvark, slik at protonet får ladning +1 (eigentleg +1 gonger elementærladninga e), og nøytronet blir elektrisk nøytralt. Nukleonet har ein radius på cirka 1 fermi = 10–15 m. Vidare skulle \(\pi^+\)-mesonet vera bygd opp av ein u-kvark og ein anti-d kvark ( \( \bar{d} \) ), og K–-mesonet av ein s-kvark og ein anti-u kvark (ū). Men kvark-biletet (-hypotesen) blei i byrjinga møtt med ein viss skepsis. Omkring 1970 vart det ved Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) i California, USA utført eit eksperiment der elektron med ein energi mellom 1 og 10 GeV (giga elektronvolt) vart skote mot proton. Resultatet frå dette eksperimentet viste at nukleonet (protonet) inneheld mindre delar, som vart kalla parton. Dette eksperimentet hadde en viss analogi med Ernest Rutherfords eksperiment då han skaut alfapartikler mot atomet for å vise at det inneheldt mindre delar. Etter kvart viste det seg at det blant desse partona for det fyrste var tre kvarkar (ofte kalla valenskvarkar), og i tillegg, avhengig av energien, nokre kvark-antikvarkpar, og (fleire) gluon (gluona er bosona som formidlar sterk vekselverknad). Men ein har aldri påvist frie (isolerte) kvarkar eller gluon; dei vil alltid vera bundne til eit hadron.Kvarkbiletet slo igjennom for alvor i 1974, då ein fann fleire partiklar med massar mellom 3 og 4 GeV/c2, kalla ψ(psi)-partiklar med eigenskapar svært like positronium, som er eit bunde system av eitt elektron og eitt positron. Observasjonane stemte overeins med hypotesen om at ψ-partiklane var bygde opp av ein ny type kvark c (engelsk charm) og ein tilsvarande antikvark \(\bar{c}\). Klassifisering av elementærpartiklane  I dag meiner me at materie er bygd opp av to hovudtypar av elementære fermion med spinn ½, lepton og kvarkar. Leptona kan berre delta i elektromagnetisk og veik vekselverknad, medan kvarkane i tillegg kan delta i sterk vekselverknad. Det finst seks leptontypar og seks kvarktypar, samt alle antipartiklane deira. Desse fermiona har ei utstrekning som er mindre enn 10–18 m. Antipartikkelen til eit fermion f skrivast gjerne f med en strek over (engelsk f-bar), det vil seia \(\bar{f}\).Det finst tre lepton med ladning –1: elektronet e–, myonet μ– og tauleptonet (tauonet) τ–, med kvar sin nøytrinotype νe, νμ og ντ, som alle er elektrisk nøytrale. At νe var ulikt νμ vart vist i 1962 av Leon M. Lederman, Melvin Schwartz og Jack Steinberger, som fekk Nobelprisen for denne oppdaginga i 1988. Nøytrinoa deltek berre i veik vekselverknad, og dei har mykje mindre kvilemasse enn dei elektrisk ladde partnarane sine (mindre enn 1 eV/c2). For å systematisere eigenskapane til leptona har fysikarane definert tre typar leptontal Le, Lμ og Lτ. Verdien av Le for elektronet e– og elektronnøytrinoet νe er +1, antipartiklane deira har Le = –1, og alle andre partiklar har Le = 0. Tilsvarande for Lμ og Lτ. Baryona har leptontal null. Desse definisjonane er nyttige fordi det viser seg at dei tre leptontala, så langt det er målt hittil, er bevart for alle prosessane som kan observerast i eitt og same laboratorium. Eit godt døme er prosessen μ–→ e–νeνμ. Når nøytrinostrålar med kjende eigenskapar flyttar seg over større avstandar frå ein stad til ein annan (til dømes eit par hundre kilometer, eller heilt frå Sola til Jorda) og vert observerte i eit laboratorium, vart det funne nøytrinooscillasjonar, det vil seia at ein nøytrinotype kan omdannast til ein annan. Dette impliserer også at nøytrinoa har masse. Diverre kan ein ikkje bestemme nøytrinomassane direkte ut frå desse eksperimenta. Ein kan berre bestemme differansen av dei kvadratiske massane, som er svært små, til dømes av storleik frå 10–3 (eV/c²)² ned til 10–5 (eV/c²)². Materie bygd opp av kvarkar, kalla hadronisk materie, har leptontal lik null, men har ein annan type ladning som på engelsk kallast flavour  (dette vert vanlegvis ikkje omsett til norsk). Dei seks ulike kvarktypane er berarar av kvar sin type flavour. Det finst tre kvarktypar med ladning +2/3, kalla u, c, t (av engelsk up, charm, top), og tre kvarktypar med elektrisk ladning -1/3, kalla d, s, b (av engelsk down, strange, bottom). Flavour er bevart i sterk og elektromagnetisk vekselverknad, men ikkje i veik. Hadron som er bygd opp av tre kvarkar er baryon. Protonet og nøytronet er dei to mest kjende døma på baryon. Hadron som inneheld ein kvark og ein antikvark er meson. Her er \(\pi\)-mesonet (pionet) det mest kjende dømet. Alle kvarkane har baryontal 1/3, og alle antikvarkane –1/3. Kvarkane er også berarar av ein type ladning (kvantetal) kalla «farge» (som ikkje har noko med vanleg optisk farge å gjera). Dette kvantetalet kan ha tre moglege verdiar, «raud», «gul» og «blå». Kvarkane er sette saman til hadron (baryon eller meson) slik at dei fysiske hadrona er «fargelause». Eksistensen av farge-kvantetalet vart føreslått for å forklåre at baryonet Ω– kunne vera bygd opp av tre s-kvarkar, alle med spinn langs same aksen. I fylgje pauliprinsippet skal ikkje dette vera mogleg med mindre det finst eit anna kvantetal med ulike verdiar for dei tre s-kvarkane. Dei tolv fundamentale fermiona vert delte inn i tre familiar slik at det i kvar familie finst eitt lepton med ladning –1, eitt nøytralt lepton (nøytrino), ein kvark med ladning +2/3 og ein kvark med ladning –1/3. Dei fire fermiona i ein familie vert igjen delte inn i ein dublett (par) av lepton og ein dublett av kvarkar. Den fyrste (og lettaste) familien inneheld leptondubletten (νe, e–) (elektron-nøytrino og elektron) og kvarkdubletten (u,d) (opp- og nedkvark). Partiklane i denne familien utgjer byggesteinane til vanlege atom (i tillegg kan ein forstå beta-sundfall).Denne dublettstrukturen spelar ei sentral rolle i oppbygginga av elektroveik teori, den sameinte teorien for elektromagnetisk og veik vekselverknad. Den andre familien, (νμ, μ–) og (c,s), og spesielt den tredje familien, (ντ, τ–) og (t,b), representerer tyngre og ustabil materie som går sund og blir omdanna til lettare materie. Svært få partiklar er stabile. Elektronet er stabilt. Det lettaste nøytrinoet må vera stabilt. Protonet ser førebels ut til å vera stabilt, medan eit fritt nøytron har ei gjennomsnittleg levetid på om lag 15 minuttar. (Men eit nøytron som er bunde til ein kjerne, er som oftast stabilt. I motsett fall er kjernen ein beta-strålar). Andre partiklar er svært ustabile, med levetider frå 10–6 sekund og endå stuttare. I tillegg til materiepartiklane, det vil seia lepton og kvarkar, finst det eit sett av partiklar som kallast vekselverknadspartiklar, kraftformidlarar eller justérboson (engelsk gauge-bosons, sjå justérteori). Desse er ansvarlege for vekselverknadane mellom fermiona:Fotonet (lyskvantet) formidlar elektromagnetisk vekselverknad, og dei tunge bosona W± og Z formidlar veik vekselverknad. At det skulle eksistere slike tunge boson blei føreslått allereie i 1930-åra, men dei vart fyrst påvist eksperimentelt i 1983 ved forskningsinstituttet CERN i Genève. Desse tunge bosona er svært ustabile (med levetid omlag 10−24 sekund).Sterk vekselverknad mellom kvarkane vert formidla av åtte gluon, eller rettare sagt gluonet kan eksistere i åtte ulike fargetilstandar, raud ⨉ anti-blå og så vidare. (Det finst 3 ⨉ 3 = 9 slike kombinasjonar, ein av dei er fargelaus og reknast ikkje med. Med det får me åtte gluon. Eit gluon med farge raud x anti-blå vil omforme ein blå kvark til ein raud kvark).I 1979 vart gluonet påvist eksperimentelt på ein indirekte måte ved forskningsinstituttet DESY i Hamburg. Alle justérbosona har spinn 1. Det skal i fylgje standard elektroveik teori også finnast eit nøytralt boson med spinn 0, det såkalla Higgs-bosonet som vart oppdaga ved CERN i 2012, og har ein masse på cirka 125 GeV/c2 .Alle kjende elementærpartiklar er bygde inn i Standardmodellen for elementærpartikkelfysikk . Etter dette (fram til september 2020) har ein ikkje påvist nye partiklar (eller nye typar fundamentale vekselverknader) som ikkje finst i Standardmodellen. De forskjellige hadronene og elementærpartiklene Navn Symbol Masse (MeV/c2) Levetid (s) Elektrisk ladning (e)     LEPTON   elektron e– 0,511 stabil –1   elektronnøytrino νe <1· 10–6  stabil 0   myon μ– 105,7 2,2 · 10–6  –1   myonnøytrino νμ <1· 10–6  ? 0   tau τ– 1777 3 · 10–13  –1   taunøytrino ντ <1· 10–6  ? 0   HADRON   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) \(\pi^+(u \bar{d}\)) 139,6 2,6 · 10–8  +1   K-meson (kaon)  K+ (\( u \bar{s}\)) 493,7 1,2 · 10–8  +1   KVARKAR   opp-kvark u 2 – 5 – +2/3    ned-kvark d 5 – 12 – +1/3    sær-kvark s 90 – 200 10–8 – 10–10  +1/3    sjarm-kvark c (1,2– 1,4) · 103  10–12  +2/3    botn-kvark b (4,1 – 4,5) · 103  10–12  +1/3    topp-kvark t 1,75 · 105  (<10–24 ?) +2/3    JUSTÉRBOSON   foton γ 0 stabil 0    W-boson W± 80,2 ·103  10–25  ±1    Z-boson Z 91,2 · 103  10–25  0   Higgs-boson H 126 x10^3 0   gluon g 0 stabil 0 Les meir i Store norske leksikon elementærpartikkelfysikk standardmodellen