חלקיקים ואינטרקציות

forum link

מה יש ביקום?

על פי המודל הסטנדרטי מה שיש ביקום זה חלקיקים ושדות.
בין חלקיקי החומר לא פועלים כוחות ישירים.
האינטראקציה מתווכת על ידי שדות כיול (gauge fields).
בנוסף יש את האפקט שנקרא "גרביטציה".
מכאן שהיקום כולל את המרכיבים הבאים:



מה זה חלקיק?

חלקיק אלמנטרי כגון אלקטרון הוא אוביקט שיש לו
הגרעינם הם לא חלקיקים אלמנטריים. הם מורכבים מפרוטונים וניוטרונים ולכן יש להם דרגות חופש "פנימיות" רבות. אפשר לסדר אותם על פי סדר משקלם ותכונותיהם הכימיות ב"טבלה מחזורית". עם התפתחות הפיזיקה המודרנית, התברר כי הפרוטונים והניוטרונים מורכבים מחלקיקים בסיסיים עוד יותר - הקווארקים. בהמשך, בעקבות חקר הקרינה הקוסמית ובאמצעות מאיצי חלקיקים, נתגלו חלקיקים מורכבים נוספים וקוטלגו לפי תכונותיהם (בריונים, מזונים).

קווארקים Quarks

הפרוטונים, הנויטרונים, ומכאן כל 100~ הגרעינים שמוכרים לנו מורכבים מקווארקים. ישנם 3 צמדים ("דורות") של קווארקים. צמד הקוורקים הקלים ביותר הם: קווארק "מעלה" (u) שמטענו 2/3 ממטען הפרוטון, וקווארק "מטה" (d) שמטענו 1/3- ממטען הפרוטון. שלשות משני הסוגים הללו יוצרות חלקיקים שנקראים "בריונים", וזה כולל לדוגמה את הפרוטונים (uud) ואת הנייטרונים (udd). לכל קווארק יש גם אנטי-קווארק עם מטען הפוך, ובהתאם יש גם אנטי-פרוטונים ואנטי-נויטרונים. צרוף של קווארק ואנטי קווארק נקרא מזון, לדוגמה שלושת הפיונים מתקבלים מתוך הצרופים ud,uu,dd,du.

לפטונים Leptons

מקור השם הוא, במילה היוונית "לפטוס", שפירושה "קל". הלפטון המוכר ביותר הוא האלקטרון (לפטון מהדור הראשון). לפטונים נוספים הם המיואון והטאו. במקביל קיימים שלושה סוגי ניטרינויים. הלפטונים הם בעלי מטען שלם (1- או 0 בהתאמה). לכל לפטון יש גם אנטי-לפטון עם מטען הפוך: בפרט הפוזיטרון הוא כמו אלקטרון אבל עם מטען חיובי.

שדות האינטראקציה

בין חלקיק החומר לא פועלים כוחות ישירים. האינטראקציה מתווכת על ידי שדות כיול (gauge fields). המוכר ביותר הוא השדה האלקטרומגנטי שאת ספקטרום העירורים שלו ממחיש הציור להלן. כמו כן יש את "הכח החזק" שמדביק את הקוורקים בתוך הגרעין. תיאוריית המודל הסטנדרטי כוללת את הקוורקים ואת שדות הכיול. הגרוויטציה נשארת מחוץ לתמונה.

EM

הפורמאליזם המתמטי של המכניקה הקוונטית, המאפשר את תיאור החלקיקים ושדות הכיול המופיעים במודל הסטנדרטי, נקרא quantum field theory (QFT). הדוגמה הפשוטה ביותר היא quantum electrodynamics (QED) - תורת השדה האלקטרומגנטי. תורת השדה של הכוחות החזקים נקראת quantum chromodynamics (QCD). בתיאור הקוונטי ניתן לראות את העירורים של שדות הכיול כחלקיקים (פוטונים, גלואונים), אשר יוצרים אינטראקציה עם חלקיקי החומר (קווארקים ולפטונים). למשל השדה האלקטרומגנטי כולל פוטונים חסרי מסה שיכולים להבלע ולהפלט ע"י חלקיקים טעונים. הציורים להלן ממחישים תהליך פיזור של פוטון על ידי אלקטרון (קומפטון), ותהליך שבו שני אלקטרונים משפיעים אחד על השני בתיווך השדה האלקטרומגנטי.  

                       ee_scattering                          compton
 

הכח החלש, חלקיקי היגס

בתהליכים רדיואקטיביים גרעין יכול להפוך להיות גרעין אחר על ידי שיחרור אלקטרון. זה נקרא התפרקות בטא. הדוגמה הפשוטה ביותר היא נויטרון שהופך להיות פרוטון (ראה ציור). משיקולי שימור אנרגיה הסיקו שבנוסף לאלקטרון משתחרר בתהליך כזה גם חלקיק נוסף חסר מטען  - הניטרינו. במסגרת המודל הסטנדרטי השדה החלש W אחראי לתהליך. השדה הזה, בניגוד לשדה האלקטרומגנטי, הוא בעל מסה. על מנת להסביר איך שדה-כיול יכול להיות בעל מסה, הוצע מנגנון היגס של "שבירת סימטריה".  בהמשך התגבשה ההכרה שהמנגנון של היגס יכול להסביר מדוע יש מסה לשאר החלקיקים במודל הסטנדרטי. בהנחה שתאורית "מנגנון היגס" נכונה, משתמע שאמור להיות סוג נוסף של חלקיקי אינטראקציה שלהם קראו "חלקיקי היגס", זאת בנוסף לחלקיקי האינטראקציה המוכרים W ,Z, והפוטונים. גילוי חלקיקי היגס הוא האתגר העיקרי של CERN.
 


מצבי צבירה של החומר

החומר בצורות הצבירה השונות על פני כדור הארץ מורכב מכ-100 סוגי גרעינים שמאורגנים בדרכים שונות. ביחד עם האלקטרונים מצבי הצבירה השכיחים הם:
בפיסיקה מודרנית מתיחסים למונח "מצב צבירה" בצורה יותר רחבה. לדוגמה, אפשר להגיד שהאטומים בסופר-נוזל או האלקטרונים בסופר-מוליך מצויים במצבי צבירה מיוחדים. גם כוכב נייטרונים הוא מצב צבירה מיוחד (אפשר לחשוב עליו כעל גרעין ענק שמורכב מנייטרונים ומוחזק על ידי גרביטציה). 

מכניקה קלאסית

לשדה האלקטרומגנטי יש בכל נקודה במרחב  6 רכיבים: שלושה רכיבים שנקראים שדה חשמלי ו-3 רכיבים שנקראים שדה מגנטי. משוואות התנועה של השדה, שקובעות כיצד השדה משתנה בזמן, נקראות משוואות מכסוול. הפתרון של משוואות מכסוול בואקום נקרא "גל אלקטרומגנטי". האור, גלי רדיו וכיו"ב הם דוגמאות לגלים אלקטרומגנטיים בתדיריות שונות. לפי משוואות מכסוול האור נע "במהירות האור". השאלה שעמדה בפני לורנץ ואינשטיין היתה האם משוואות מכסוול נכונות בכל מערכת יחוס. במילים אחרות: האם מהירות האור זהה בכל מערכות הייחוס. הרעיון הזה היה בסתירה לעקרונות המכניקה של ניוטון שהתבססו על תפיסה גלילאית של המרחב.

קישורים:
http://en.wikipedia.org/wiki/Quark
http://en.wikipedia.org/wiki/Hadron
http://en.wikipedia.org/wiki/Lepton
http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model