FörberedandeFysik

Teori

Övningar

Teori

I början på 1930-talet så verkade det som om hela fysikens fundament var lagt inom det nya området elementarpartikelfysik. Den omgivande världen beskrevs väl med kända byggstenar, elektronen, protonen och den nyligen upptäckta neutronen. Neutrinon var postulerad men ännu inte detekterad. Detta pastorala tillstånd ändras dock snabbt och det fanns på 1970-talet mer än 200 ”elementarpartiklar”, med namn som myon (\displaystyle \mu), pion (\displaystyle \pi) , kaon (\displaystyle K) och sigma (\displaystyle \Sigma). Alla dessa partiklar är instabila och har livstider på mellan \displaystyle 10^{-6} s och \displaystyle 10^{-23} s. De nyaste partiklarna produceras i kollisioner vid acceleratorer. De mest kända acceleratorerna är

Fermilab (Chicago)

DESY (Hamburg)

SLAC (Stanford)

CERN (Genève)

Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, som ligger precis på gränsen mellan Frankrike och Schweiz, syns på bilden nedan. Den största cirkeln i bilden indikerar omkretsen för den nya acceleratorn LHC (Large Hadron Collider) som togs i bruk 2008. Start- och landningsbanan på Genèves flygplats (i nedre högra hörnet) ger en vägvisning om anläggningens storlek.

Skälet till att anläggningarna får så stora dimensioner är helt enkelt på att det krävs hög energi (det vill säga kort deBroglievåglängd) för att undersöka mycket små objekt. Detsamma gäller ju för detektorerna som skall ”se” sönderfallet. Nedan syns ATLAS-detektorn på CERN som stod färdigmonterad 2007. Därunder visas hur ett sönderfall, ett så kallat trejetevent, i den gamla detektorn DELPHI kunde se ut.

Elementarpartiklar kallades ju så för att man trodde att de var elementära, det vill säga odelbara, men teoretikern Murray Gell-Mann visade att den komplexa situationen med många partiklar drastiskt kunde förändras om man antog att partiklarna var uppbyggda av mindre byggstenar som kallades kvarkar som höll ihop (växelverkade) via med en sammanbindande kraft som förmedlades av gluoner. En normal kärna i en atom skulle då kunna illustreras på följande sätt.

Elektronen är så vitt vi vet elementär ner till en karakteristisk längd av \displaystyle 10^{-18}\, \textrm{m}. Den tillhör en speciell klass av partiklar som vi kallar leptoner. Hit hör också (elektron)neutrinon (\displaystyle \nu_e), från \displaystyle \beta-sönderfallet, liksom myonen (\displaystyle \mu) och taupartikeln (\displaystyle \tau) och deras respektive följeslagare myonneutrinon (\displaystyle \nu_{\mu}) och tauneutrinon (\displaystyle \nu_{\tau}). Dessa partiklar kan nu inordnas i tre familjer där elektronen och dess neutrino tillhör den första familjen.

Paul Dirac förutsade redan på 1920-talet att varje laddad partikel skulle ha en partner med samma massa men motsatt laddning, något som verifierades för elektronen i början på 1930-talet när positronen upptäcktes i den kosmiska strålningen av Carl Anderson. (Dessa två partiklar var också huvudaktörerna i CERNs förra accelerator LEP, Large Electron Positron collider, som var mycket framgångsrik under hela 1990-talet. Den nya acceleratorn ligger för övrigt i samma tunnel som den gamla.)

Ett forskarlag på CERN lyckades I december 2002, framställa nio antiväteatomer, som består av en antiproton som kärna med en omgivande, bunden, positron och de första atomerna av antimateria hade bildats.

För att bringa ordning bland alla partiklarna kan man gruppera dem på olika sätt. Vi kan klassificera partiklar genom att just se på dess antipartikel. Eftersom positronen är elektronens antipartikel så annihilerar de och bildar (minst) två fotoner (eftersom rörelsemängden måste bevaras) vardera med en väldigt precis energi. (Fotonen är sin egen antipartikel).

Ett annat sätt är att klassificera partiklarna genom mäta deras inre rörelsemängdsmoment, det vi kallar partikelns spinn.

Klassificering av några partiklar med avseende på deras spinn (I enheten \displaystyle h/2\pi):

Partiklar med halvtaligt spinn kallas fermioner, efter Fermi som beskrivit den statistik som styr deras uppförande, medan partiklar med heltaligt spinn kallas bosoner efter Bose som beskrivit deras statistik. Fermioner lyder Pauliprincipen, som utsäger att bara en partikel kan uppta ett givet kvanttillstånd som beskrivs av en bestämd uppsättning kvanttal, medan bosoner inte följer denna principen. Vi kan klassificera partiklar genom att se vilka krafter som verkar på dem. Hadroner påverkas av den starka kraften och hadronerna kan vara mesoner (som är bosoner, heltaligt spinn) eller baryoner (protonen) som är fermioner (halvtaligt spinn). Leptoner påverkas av den svaga kraften.

Ett exempel på en baryonreaktion är kollisionen av en proton och en antiproton. Detta är ett starkt sönderfall (förmedlat av den starka kraften) eftersom alla inblandade partiklar är hadroner. Från reaktionen kan man få två pioner (en pion är en typ av meson).

När sedan en pion (\displaystyle \pi) sönderfaller, med en medellivstid på \displaystyle 2,6 \cdot 10^{-8} s, gör den det via ett svagt sönderfall (förmedlat av den svaga kraften) till en myon (\displaystyle \mu) och en myonneutrino (\displaystyle \nu_\mu).

Myonen söderfaller i sin tur, med en medellivstid på \displaystyle 2,2 \cdot 10^{-6} s, via ytterligare ett svagt sönderfall till en elektron och två neutriner. Dessa två neutriner är olika (en elektronneutrino och en myonneutrino). Man kan undra varför det finns två neutriner i detta sönderfall och vi har ovan flyktigt varit inne på en förklaring, nämligen att de är olika och till hör olika ”familjer”. 

Ytterligare en neutrino upptäcktes på SLAC 1975 då man identifierade leptonen tau (\displaystyle \tau) som tillhör den tredje familjen, och liksom elektronen och myonen har en egen associerad neutrino som heter tauneutrino (\displaystyle \nu_{\tau}).

Växelverkningar där leptoner är inblandade lyder en speciell lag för leptontalet L. Varje partikel får ett kvanttal +1 och varje antipartikel får kvanttalet –1. Partiklar som inte är leptoner får kvanttalet 0. I alla reaktioner gäller nu att leptontalet skall bevars och därför måste nu de tre leptontalen L\displaystyle _e, L\displaystyle _{\mu} och L\displaystyle _{\tau} bevaras var för sig.

På samma sätt finns ett baryontal för baryoner. Baryoner ger +1 till det totala baryontalet, och antibaryoner ger -1. Partiklar som inte är baryoner ger bidraget 0. Baryontalet måste liksom leptontalet bevaras vid alla reaktioner.

Hadroner

Till skillnad mot leptoner kan inte ovan nämda kvarkar existera som fria partiklar, utan bara i bundna tillstånd. Till exempel kan de finnas i \displaystyle q \bar{q}-tillsånd (kvark-antikvark) som kallas mesoner,  och \displaystyle qqq-tillstånd som kallas baryoner.

Fram till i mitten på 1970-talet var bara tre kvarkar kända men idag anser man att det finns sex stycken, där den senaste t-kvarken verifierades i mitten på 1990-talet på Fermilab, även om de flesta fysiker redan tidigare var övertygade om dess existens. Alla kvarkar kan inordnas på ett övertygande sätt i tre familjer.

Baryoner är en kombination av tre kvarkar och en liten tabell av baryoner finns nedan.

Mesoner är en kombination av kvark-antikvark och en liten tabell av mesoner finns nedan. Vid nya, mer högenergetiska acceleratorer kommer sammanlänkningen av krafter (Grand Unification Theory) att testas, protonens sönderfall och neutrinernas massor undersökas och jakten på Higgspartikeln fortsätta på allvar.