subatomske čestice

subatomske čestice (sub- + atomski) (elementarne čestice), čestice manje od atoma, bilo da su sastavni dio atoma (elektron, proton i neutron) ili nastaju pri sudarima čestica u akceleratorskim pokusima.

Ni sama definicija subatomske čestice nije sasvim čvrsta. Mnoge stvorene čestice izrazito su nestabilne (kratkoga vremena poluraspada) i nisu elementarni sastojak materije u istom smislu kao neutron, proton i elektron. Kako se sve čestice mogu dobiti pretvorbom kinetičke energije u masu, najopćenitija bi definicija bila da su subatomske čestice različiti oblici koje tvar poprima pri pretvaranju energije u materiju.

Povijest otkrića

Hipoteza o postojanju atoma, nedjeljivih i nepromjenljivih tvorevina, najsitnijih građevnih blokova tvari, nastala je u antičkoj Grčkoj (→ demokrit). U XIX. st. prevladalo je atomističko shvaćanje tvari, ali se postavilo i pitanje jesu li atomi, najsitnije čestice koje nose svojstva kemijskih elemenata, zaista nedjeljivi.

Eksperimenti su početkom XX. st. najprije pokazali da se atom sastoji od jezgre i elektronskog omotača, a zatim i da je sama jezgra sastavljena od nukleona: protona i neutrona. Temeljni način testiranja elementarnosti, tj. nesloženosti čestica, je njihovo podvrgavanje sudarima pri visokim energijama. Očekuje se da će se složene tvorevine pritom raspasti. Pri sudarima protona, neutrona i elektrona odgovarajućom velikom energijom otkrivene su nove čestice. Najprije su pronađeni mezoni, čestice koje su po svojoj masi između lakih elektrona (→ lepton) i teških nukleona (→ hadron) (odatle i ime). Poslije su bili pronađeni i hiperoni, kojima je masa veća od nukleonske. Do akceleratorskih pokusa u 1950-ima nove čestice (pozitron, mion, pion) bile su pronalažene u kozmičkom zračenju, da bi primjenom akceleratora čestica došlo do prave eksplozije otkrića. Tako je već 1968. broj pronađenih subatomskih čestica bio veći od 30. Postalo je očito da popis subatomskih čestica ne može biti konačan, jer nove eksperimentalne metode omogućuju daljnja otkrića.

Otkrića pojedinih čestica

čestica godina otkrića otkrivač
elektron 1897 Joseph John Thomson
alfa-čestica 1899 Ernest Rutherford
foton 1905 Albert Einstein
proton 1919 Ernest Rutherford
neutron 1932 James Chadwick
pozitron 1932 Carl David Anderson
mion 1936 Carl David Anderson
pion 1947 Giuseppe Occhialini i Cecil Frank Powell
kaon 1947 skupina istraživača
neutrino 1951 Frederick Reines
J/ψ-mezon 1974 Samuel Chao Chung Ting i Burton Richter
Higgsov bozon 2012 CERN

Svojstva subatomskih čestica

Laboratorijski identificirane subatomske čestice ili su neutralne (električnog naboja 0) ili imaju naboj koji je višekratnik elektronskoga naboja, bilo pozitivnoga (+) ili negativnoga (–) predznaka. Hadroni, čestice koje sudjeluju u jakim međudjelovanjima, imaju kvarkovsku podstrukturu. Temeljne čestice koje sudjeluju u jakom međudjelovanju jesu kvarkovi, čestice trećinskoga električnoga naboja.

Sve subatomske čestice obilježava njihova međusobna apsolutna identičnost, kakva se ne susreće u makroskopskoj fizici, gdje se objekti uvijek mogu razlikovati. Subatomske čestice zadovoljavaju Fermi-Diracovu statistiku ili Bose-Einsteinovu statistiku (→ kvantna statistika). U prvom slučaju nazivaju se fermionima, a u drugom bozonima. Sve čestice polucijeloga spina jesu fermioni, a one s cjelobrojnim spinom bozoni.

Općenito se temeljne subatomske čestice mogu podijeliti na prijenosnike sila, (baždarne bozone), te na čestice tvari (leptone i kvarkove). Teorija elementarnih čestica pridružuje svakoj čestici i pripadnu nabojno konjugiranu česticu, tzv. antičesticu. To je shvaćanje potvrđeno 1932. otkrićem pozitrona, čestice koja ima sva svojstva elektrona, ali za razliku od njega ima pozitivni električni naboj. Čestica i pripadna antičestica imaju istu masu, spin i vrijeme poluraspada, ali suprotan električni naboj ili magnetski moment, odn. okus (e i e+, neutron i antineutron). Antičestica može biti identična samoj čestici, kao npr. u slučaju neutralnoga piona (π0), dok se u slučaju neutralnoga kaona čestica i antičestica razlikuju u kvarkovskom okusu (stranosti). Općenito, električki neutralne čestice mogu imati antičestice koje se od njih razlikuju u jednom od više kvarkovskih naboja, ili se razlikuju (npr. neutrino) u smjeru vrtnje.

Svojstva subatomskih čestica proizlaze iz svojstava kvarkova. Kombinacijom kvarkova mogu se teorijski dobiti svi mezoni i barioni te prilično dobro objasniti njihova svojstva. Zagonetna je bila činjenica neopažanja samih kvarkova, zatočenje (engl. confinement), koje objašnjava kvantna kromodinamika. Prema njoj, kvarkovi posjeduju dinamički naboj (boju) koji je izvor gluonâ, prijenosnikâ jake sile, koji i sami posjeduju taj naboj. Primjerice, najveći dio mase protona (a time i sve tvari koja nas okružuje) ima podrijetlo u gluonima kao čistoj energiji, što je uvjerljiva demonstracija Einsteinove ekvivalencije mase i energije.

subatomske čestice. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 19.12.2018. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=58565>.