fizika elementarnih čestica

fizika elementarnih čestica, grana fizike koja se bavi proučavanjem elementarnih čestica kao temeljnih sastavnica tvari i temeljnih sila. Utemeljena je s otkrićem elektrona (Joseph John Thomson, 1897), neutrona (James Chadwick, 1932) te pozitrona (Carl David Anderson, 1932). Sve do početka 1950-ih nove su čestice otkrivane u fotoemulzijama koje su postavljane na planinama ili nošene balonima izlagane kozmičkomu zračenju. Do procvata otkrića čestica došlo je primjenom akceleratora čestica. Ubrzavanjem čestica (npr. elektrona i protona) dobivaju se snopovi koji udaranjem na mete proizvode nove čestice. Podešavanjem apsorbera i magneta mogu se izdvojiti novonastale čestice u sekundarne snopove (pozitrona e+, miona μ, piona π, kaona ϰ, antiprotona p-).

Fizikalni svijet pokazuje slojevitu strukturu, pri čemu je za istraživanje svake sljedeće »ljuske« trebalo uložiti tisuću puta više energije: vanjski atomski omotač upoznat je energijama reda elektronvolta (eV), unutrašnjost atoma ispitivana je kiloelektronvoltnim (keV) rendgenskim zračenjem, atomske jezgre energijama MeV-a, dok se kvarkovska struktura nukleona pojavljuje na ljestvici GeV-a. Tako je na suprasudarivaču protona i antiprotona teraelektronvoltnih (TeV) energija, teatronu kod Chicaga 1995., otkriven t-kvark (»kvark istine ili vršni kvark«). Time su zaokružena tri naraštaja kvarkova i leptona, koji se pojavljuju u parovima: elektron (e) i elektronski neutrino (νe), te gornji (u) i donji (d) kvarkovi prvog naraštaja; mion (μ) i mionski neutrino (νμ) te čarobni (c) i strani (s) kvarkovi drugog naraštaja; tau lepton (τ) i njegov neutrino (ντ) te kvarkovi istine (t) i ljepote (b) trećeg naraštaja.

Sva je tvar od koje smo građeni i koja nas okružuje od čestica prvog naraštaja, od elektrona u atomskim omotačima te protona (p) i neutrona (n) u atomskim jezgrama, koji sadrže po tri kvarka prvog naraštaja: p = uud i n = udd. Stoga se »gornjim« kvarkovima (u, c, t) pridružuje električni naboj od 2/3 e, a »donjim« kvarkovima – 1/3 e (elementarnog pozitivnog električnog naboja). U kvarkovskoj slici postignuta je željena »elementarnost« temeljnih čestica. Mnoštvo otkrivenih čestica različitih svojstava (električnoga naboja, spina, mase, magnetizma, …) svedeno je na dvanaest temeljnih kvarkova i leptona, čestica spina 1/2. Skup tih fermiona treba još nadopuniti bozonima (spina 1) koji prenose sile između temeljnih čestica tvari.

Uz foton (γ) koji prenosi elektromagnetsko međudjelovanje, tu su nabijeni baždarni bozoni W-bozoni (W+ i W) te neutralni Z-bozon (Z0) koji prenose temeljno slabo međudjelovanje, a uz njih još osam gluona koji prenose temeljno jako međudjelovanje između kvarkova. Takva slika s dvanaest temeljnih čestica tvari i dvanaest čestica prijenosnika temeljnih sila tvori današnji standardni model čestica. On je utemeljen kao kvantna teorija polja, kojoj je polaznica kvantna elektrodinamika (QED, engl. Quantum Electro-Dynamics). Proračuni elektromagnetskoga međudjelovanja, koji zahvaljujući ključnim doprinosima Richarda Phillipsa Feynmana, Juliana Seymoura Schwingera i Sin-Itira Tomonage, vode na suglasje s pokusima na desetak decimalnih mjesta, čine QED uzorom za teorije ostalih međudjelovanja. Njoj je naizgled najsličnija kvantna kromodinamika (QCD, engl. Quantum Chromo-Dynamics), teorija međudjelovana obojenih gluona koji prenose jako međudjelovanje kvarkova. Ipak, kvantna kromodinamika je znatno složenija od elektrodinamike, o čemu svjedoči i zatočeništvo kvarkova u hadrone (kvarkovi se ne mogu opažati u slobodnom stanju na laboratorijskim udaljenostima).

Teorija polja uspostavljena je i za slaba međudjelovanja, prvotno na procesima prirodne radioaktivnosti. Riječ je o procesima koji omogućuju pretvorbu kemijskih elemenata. Temelj tomu je dinamika pretvorbe fermionskih vrsta (QFD, engl. Quantum Flavour-Dynamics), što vodi jedinstvenom opisu elektromagnetskih i slabih procesa. Problem renormalizacije, uklanjanja beskonačnih doprinosa u ujedinjenoj elektroslaboj teoriji, riješen je u radovima Gerardusa ‘t Hoofta i Martinusa Veltmana, za koje je dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku 1999. Ključnu ulogu u tome ima tzv. spontano lomljenje simetrije elektroslabe teorije, koje upućuje na mogućnost postojanja do tada još neopaženoga Higgsova bozona. Elektroslaba teorija predvidjela je otkriće Higgsova bozona u velikom hadronskom sudarivaču (LHC, engl. Large Hadronic Collider) na CERN-u u Ženevi.

Fizika čestica proučava se i mnogobrojnim neakceleratorskim pokusima, posebno onima iz neutrinske fizike. Usto u novije doba dolazi do zbližavanja fizike čestica i kozmologije. Rani je svemir u svojoj »vrućoj fazi« prirodni laboratorij za procese koji se neće nikad moći izvoditi u zemaljskim uvjetima.

fizika elementarnih čestica. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 14.12.2018. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=19794>.