Alkeishiukkanen

hiukkanen, joka ei koostu muista hiukkasista

Alkeishiukkanen on hiukkasfysiikassa hiukkanen, jolla ei ole omaa sisäistä rakennetta[1] eikä se siis koostu muista hiukkasista.

Maailman ensimmäinen neutriinohavainto vuodelta 1970.

Yksi hiukkasfysiikan suurimpia haasteita on löytää kaikki alkeellisimmat hiukkaset - alkeishiukkaset, jotka muodostavat kaikki muut luonnon hiukkaset, eivätkä itse ole muodostuneet pienemmistä hiukkasista.

Esimerkiksi atomit muodostuvat pienistä hiukkasista, jotka tunnetaan elektronina, protonina ja neutronina. Protoni ja neutroni puolestaan koostuvat vielä alkeellisemmista hiukkasista, ylös- ja alaskvarkeista. Gluonit (bosoni) taas sitovat kvarkit protoneiksi ja neutroneiksi. Siten protonia ja neutronia ei voi määritellä alkeishiukkaseksi, toisin kuin elektronin, jolla ei tiedetä olevan pienemmistä hiukkasista koostuvaa rakennetta; elektroni on itsessään alkeishiukkanen (leptoni).

Standardimallin mukaan alkeishiukkasia ovat leptonit, kvarkit ja bosonit. Bosonit jaetaan edelleen mittabosoneihin (välittäjähiukkasiin) ja Higgsin bosoniin. Leptonit ja kvarkit ovat fermioneita, eli ns. materiaalihiukkasia ja mittabosonit ymmärretään perusvuorovaikutusten välittäjähiukkasina. Bosonit erottaa fermioneista spin-luku, joka on bosoneilla kokonaisluku ja fermioneilla puoliluku.

Standardimallin mukaiset alkeishiukkasetMuokkaa

LeptonitMuokkaa

Leptoneihin kuuluvat tutun elektronin ja neutriinoiden lisäksi samantapaiset mutta raskaammat hiukkaset myoni ja tau. Kullakin näistä on lisäksi antihiukkasensa, positroni, antimyoni, antitau ja antineutriinot. Neutriinojen mahdollisten antihiukkasten olemassaolosta ei vielä olla varmoja. Nykyään tiedetään, että neutriinoilla on pieni lepomassa.

KvarkitMuokkaa

Kvarkkeja on kuutta lajia, kuten leptoneitakin, antikvarkit mukaan luettuna kaksitoista. Kuusi kvarkkia ovat (suluissa vaihtoehtoisia nimiä):

  • pohjakvarkki (b-kvarkki, beauty- tai bottom-kvarkki, kaunis-kvarkki)

Hadronit ovat useamman kvarkin yhdistelmiä. Kolmesta kvarkista muodostunutta hadronia kutsutaan baryoniksi ja kahdesta kvarkista muodostunutta hadronia kutsutaan mesoniksi. Tunnetuimmat hadronit ovat protoni (kaksi ylöskvarkkia ja yksi alaskvarkki) ja neutroni (yksi ylöskvarkki ja kaksi alaskvarkkia).

Kvarkit kuuluvat fermioneihin.

MittabosonitMuokkaa

Mittabosonit välittävät perusvuorovaikutuksia eli sähkömagneettista vuorovaikutusta (fotoni), heikkoa vuorovaikutusta (W- ja Z-bosonit), vahvaa vuorovaikutusta (gluonit) ja gravitaatiota (hypoteettinen gravitoni).

FotoniMuokkaa

Fotoni välittää sähkömagneettista vuorovaikutusta, vaikka fotoni onkin itse sähköisesti neutraali. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen tuntevat ainoastaan sähkövaraukselliset hiukkaset, kuten elektroni.

GluoniMuokkaa

Gluoni välittää vahvaa vuorovaikutusta, jonka tuntee ainoastaan värivaratut hiukkaset, eli kvarkit ja gluonit itse. Tämä vuorovaikutus sitoo kvarkkeja hadroneiksi, kuten protoniksi ja neutroniksi, jotka koostuvat ylös- ja alaskvarkeista.

W- ja Z-bosoniMuokkaa

W- ja Z-bosonit välittävät heikkoa vuorovaikutusta, joka aiheuttaa radioaktiivisuuden, tästä esimerkkinä beetasäteily. Heikon vuorovaikutuksen tuntevat leptonit ja kvarkit.

GravitoniMuokkaa

Perusvuorovaikutuksiin kuuluu myös massallisiin hiukkasiin vaikuttava gravitaatio, mutta hiukkasfysiikan standardimalli ei ota kantaa sen olemassaoloon, sillä sitä välittävää hiukkasta, gravitonia, ei ole vielä löydetty. Toisaalta gravitaatio on voimana niin heikko muihin vuorovaikutuksiin nähden, että se voidaan hiukkasfysiikassa jättää huomioimattakenen mukaan?.

Hypoteettiset subatomiset hiukkasetMuokkaa

Supersymmetristen teorioiden ennustamatMuokkaa

Supersymmetriset teoriat ennustavat myös joidenkin hiukkasten olemassoloa. Yhtään niistä ei kuitenkaan oltu vielä vuoteen 2007 mennessä löydetty.

Muiden teorioiden ennustamatMuokkaa

Muut teoriat ennustavat muun muassa seuraavanlaisia hiukkasia.

Alkeishiukkasten tutkiminenMuokkaa

 
Elektronitykillä tuotetaan elektroneita ja sitä käytetään kuvaputkinäytöissä.

Alkeishiukkasten tuottaminenMuokkaa

Elektronit ovat alkeishiukkasista helpoimmin keinotekoisesti tuotettavissa, sillä niitä voidaan tuottaa yksinkertaisesti lämmittämällä metallia ja asettamalla positiivisesti varautunut pinta tämän lähelle, jolloin metallista emittoituneet elektronit kiitävät sähkökentän vaikutuksesta kohti positiivista kohtiota. Muiden alkeishiukkasten tuottaminen ja havaitseminen onkin hankalampaa. Aikaa ennen hiukkaskiihdyttimiä alkeishiukkasia voitiin havaita tutkimalla kosmista säteilyä, mistä alkeishiukkasfysiikka varsinaisesti sai alkunsa. Positroni, myoni ja pioni löydettiin ensimmäisen kerran vuosina 1930–1940 kosmisesta säteilystä.[2] Myöhemmin alkeishiukkasia voitiin havaita myös ydinreaktoreissa radioaktiivisten ydinten hajotessa, esimerkiksi beetasäteilyn yhteydessä elektroneja ja positroneja sekä gammasäteilyn yhteydessä fotoneja.[3]

Nykyään alkeishiukkasten tuottamista varten on rakennettu hiukkaskiihdyttimiä, joissa kiihdytetään korkeaenergiaisia hiukkasia mm. magneettien avulla. Hiukkaskiihdyttimien avulla voidaan tuottaa mm. positroneja, myoneja, pioneja ja kaoneja.[3] Jopa ns. vapaita kvarkkeja ja gluoneja voidaan luoda törmäyttämällä tarpeeksi suurella energialla hiukkasia (protoneja), jolloin syntyy kvarkkigluoniplasmaa (kvarkit eivät enää sidoksissa toisiinsa).[4] Tällöin lämpötila ja paine ovat hetkellisesti todella korkeat. Kvarkkigluoniplasmaa ei voida kuitenkaan havaita suoraan, sillä se jäähtyy nopeasti (kvarkit sitoutuvat takaisin hadroneiksi), mutta sen olemassaolon voi päätellä hiukkasilmaisimilla niihin osuneista lopputilan hiukkasista.

Alkeishiukkasten havaitseminenMuokkaa

Alkeishiukkasten havaitsemiseen voidaan käyttää esimerkiksi sumukammiota, kuplakammiota, geiger-mittaria ja tuikeilmaisinta. Monet alkeishiukkasilmaisimet perustuvat siihen, että ilmaisimen läpi kulkeva tutkittava hiukkanen ionisoi atomeja laitteen sisällä synnyttäen havaittavan signaalin.[5] Sähköisesti neutraalit hiukkaset eivät tietenkään voi ionisoida, mutta vuorovaikuttaessaan oikeanlaisen ilmaisinmateriaalin kanssa syntyy varattuja hiukkasia, joita voidaan ionisaation kautta havaita. Esimerkiksi fotoneja voidaan havaita syntyneiden positronien ja elektronien kautta.[6]

Katso myösMuokkaa

LähteetMuokkaa

  • Griffths, David: ”Introduction”, Introduction To Elementary Particles. Wiley, 1987. ISBN 0-471-60386-4. (englanniksi)

ViitteetMuokkaa

  1. Das, Ashok; Ferbel T.: Introduction to nuclear and particle physics, s. 207. World Scientific, 2004. ISBN 9789812387448. (englanniksi)
  2. What's Cosmic Ray? (html) Institute of Cosmic Ray Research, University of Tokyo. (englanniksi)
  3. a b Griffths 1987, s. 4–5
  4. Quark-gluon plasma Relativistic Heavy Ion Collider. (englanniksi)
  5. Griffths 1987, s. 7
  6. Boyarkin, O. M.; Heinzerton, Alfred L.: Introduction to Physics of Elementary Particles, s. 190. Nova Publishers, 2007. ISBN 9781600212000. (englanniksi)

KirjallisuuttaMuokkaa

  • Schumm, Bruce A.: Syvällä asioiden sydämessä: Hiukkasfysiikan kauneus. (Alkuteos: Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics, 2004). Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Helsinki: Terra Cognita, 2006. ISBN 952-5202-91-7.
  • Raitio, Risto (toim.): Alkeishiukkasten maailma – Kvarkeista aikojen alkuun. Helsinki: Ursa, 1980. ISBN 951-9269-13-4.

Aiheesta muuallaMuokkaa

 
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Alkeishiukkanen.