Alkeishiukkaset - mitä ne ovat?

Tästä blogimerkinnästä tulee hieman erilainen kuin aiemmista. Koska opin ja sisäistän asioita parhaiten siten, että kirjoitan niistä, kirjoitan blogiini myös asioista, joita haluan ymmärtää enemmän. Haluan esimerkiksi selventää perinpohjaisesti itselleni, mitä sähkö oikeastaan on. Mikä pitää Piin (ja elolliset olennot) elossa?

Aloitan alkeishiukkasista, koska jos luen esimerkiksi sähköstä, haluan mielessäni päästä sen ymmärtämisessä aina vain syvemmälle hiukkastasolle asti. Kerran aloin miettiä, mitä positiivinen ja negatiivinen sähkövaraus oikeastaan tarkoittavat ihan hiukkastasolla tarkasteltuna. Päädyin lopulta vastausta etsiessäni Khan Academyn kysymyksiin ja vastauksiin joissa sanottiin, ettei sitä oikeastaan tiedetä. Aloin myös kerran miettiä, mitä tarkoittaa, että hiukkasella on massa, mutta  tutkiessani asiaa selvisi, että sitäkään ei oikeastaan tiedetä. Todella mielenkiintoista, ettei universumin ja elämän toiminnan kannalta keskeisten asioiden pohjimmaista mekanismia edes tiedetä! Jostain syystä on todella inspiroivaa, että olemassaolomme on mysteeri!

Tutkin alkeishiukkasiin ja sähköön liittyviä asioita kirjasta Tieteen maailma - Fysiikan lait, avopuolisoni Valtterin fysiikan yliopisto-opintojen oppikirjoista, Khan Academyn sivuilta sekä muualta internetistä.

https://i.ytimg.com/vi/0jNKVLI0aOk/maxresdefault.jpg

Bosonit ja fermionit

Kaikki alkeishiukkaset ovat joko fermioneja tai bosoneja. Alla olevassa kuvassa on hyvä taulukko alkeishiukkasista.

Fermionit

"Tavallinen aine" koostuu fermioneista. Fermionien spin on puoliluku (esimerkiksi +1/2, - 1/2, + 3/2 tai - 3/2), toisin kuin bosonien, joiden spin on kokonaisluku. Pitää perehtyä myöhemmin tarkemmin siihen, mikä spin olikaan! Olen siitä kyllä lukenut esimerkiksi koulussa, mutten kunnolla enää muista. Fermioneihin kuuluvat allaolevassa taulukossa näkyvät baryonit, kvarkit ja leptonit.

Bosonit

Bosoneiksi kutsutaan alkeishiukkasia ja niiden yhdistelmiä, joiden spin on kokonaisluku (0, 1, 2). Alla olevasta taulukosta mesonit ovat bosoneja.

Bosonien ja fermionien ero

Mielenkiintoista, hiukkasten erottelu bosoneihin ja fermioneihin perustuu kvanttimekaniikkaan. Fermioneja koskee Paulin kieltosääntö, eli kahta tai useampaa saman lajin fermionia ei voi olla samassa kvanttilukujen määrittämässä kvanttimekaanisessa tilassa, toisin kuin bosoneja.
Fermioneja koskee myös lukumäärän säilymislaki toisin kuin bosoneja, joita voi eri vuorovaikutustilanteissa syntyä ja hävitä.
Ero bosonien ja fermionien välillä perustuu viime kädessä niiden aaltofunktion käyttäytymiseen kahden hiukkasen vaihdossa. Kahden identtisen fermionin aaltofunktio on antisymmetrinen, kun taas bosonien tapauksessa se on symmetrinen. Pitää tutustua myöhemmin tarkemmin myös siihen, mikä aaltofunktio olikaan. Tiedän, että se on tapa kuvata hiukkasta, mutten ole vielä kunnolla sisäistänyt, mitä se pohjimmiltaan tarkoittaa.

Nyt bosonit alkoivat kiinnostaa vielä enemmän! Kiinnostaa kaikki sellainen, mikä on jotenkin kummallista tai vaikuttaa järjettömältä, esimerkiksi kvanttimekaniikka. Tuli tuosta mieleen, että olen lukenut hieman kvanttibiologian tutkimuksia ja ne ovat hypermielenkiintoisia! Ehkä innostun kirjoittamaan kvanttibiologian tutkimuksistakin jossain vaiheessa. 

Mielestäni kaikki liittyy kaikkeen. Jos luen vaikka kvanttibiologiasta, se varmasti jollakin tavalla hyödyttää myös muiden kiinnostuksen kohteideni opiskelua ja ymmärtämistä, esimerkiksi robotiikkaa. Esimerkiksi jos luen kvanttibiologiasta, saatan törmätä tiettyyn termiin, mikä voi myöhemmin ketjureaktionomaisesti johtaa muiden käsitteiden ja termien oppimiseen ja tutkimiseen, kunnes ympyrä voi jossakin vaiheessa sulkeutua ja huomaankin, että olenkin astetta fiksumpi jossakin robotiikkaankiin liittyvässä asiassa.

Kuva on kirjasta Tieteen maailma - Fysiikan lait (1993). Martin Serwood & Christine Sutton. Suom. toim. Jarmo Hakanen

Standardimallin mukaan perushiukkasia eli alkeishiukkasia ovat leptonit (esim. elektronit), kvarkit ja mittabosonit eli hiukkaset, jotka välittävät perusvuorovaikutusta / perusvoimaa. Mittabosoneista esimerkiksi fotonit välittävät sähkömagneettista vuorovaikutusta. Alkeishiukkaset eivät todennäköisesti koostu enää pienemmistä osista: ne ovat jakamattomia.
Atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista ja ydintä verhoaa elektroniverho. Elektroni kuuluu alkeishiukkasiin eli se ei koostu muista hiukkasista, mutta protoneilla ja neutroneilla on sisäinen rakenne: ne koostuvat kvarkeista.

Kvarkit

Kvarkeilla on keskenään erilaisia ominaisuuksia, ja niitä arvellaan olevan kuutta tyyppiä: niiden nimet ovat ylös (u), alas (d), lumo (c), outo (s), huippu (t) ja pohja (b). Kvarkeilla on murtolukuvaraukset, esimerkiksi 2/3 tai 1/3. Tykkään kvarkkien nimeistä, ne ovat hassuja <3

Hadronit 

Kvarkit muodostavat hadroneja eli hiukkasia, joita sitoo yhteen vahvaa vuorovaikutusvoimaa välittävät gluonit. Hadronit voidaan jakaa niiden kvarkkien lukumäärän mukaan kahteen luokkaan: baryoneihin (3 kvarkkia) ja mesoneihin (2 kvarkkia).

Baryonit

Baryonit koostuvat kolmesta kvarkista. Kuten ylläolevasta kuvasta näkyy, protonit ja neutronit kuuluvat baryoneihin. Muita baryoneja kutsutaan hyperoneiksi. Ylös- ja alaskvarkki ovat kevyimmät, joten ne muodostavat kevyimmät baryonit eli protonit ja neutronit. Loput kvarkit ovat raskaampia ja muodostavat raskaampia hiukkasia. Esimerkiksi lambdahiukkanen on 7% neutronia raskaampi, koska raskaampi outokvarkki on korvannut yhden alaskvarkeista, joita neutronilla on kaksi. 

Mesonit

Mesonit koostuvat kahdesta kvarkista eli kvarkista ja sen antikvarkista. Antikvarkeilla on vastakkainen varaus kvarkkeihin nähden. Hyperonien hajoamisessa syntyy usein kevyempiä baryoneja (protoneja ja neutroneja) sekä kvarkista ja antikvarkista muodostuneita mesoneja. Mesonit ovat bosoneja, eli niiden spin on kokonaisluku.

Mesoneista kevyimmät ovat pionit. Pioneja on kolmenlaisia, jotka eroavat toisistaan sähkövarauksen osalta. Positiivisesti varattu pioni muodostuu yhdestä ylöskvarkista ja yhdestä alaskvarkista. Sen negatiivisesti varautunut antihiukkanen rakentuu vastakkaisella tavalla. Neutraali pioni muodostuu esimerkiksi ylöskvarkista ja sen antikvarkista, tai alas- / antialaskvarkista.

Kaoni on mesoni, jolla on kvanttiluku outous. Kaoneita on neljänlaisia: positiivinen, negatiivinen ja kaksi neutraalia, joilla kullakin on erilainen kvarkkisisältö.

Pysyviä mesoneja ei ole, sillä ne ovat epästabiileja ja hajoavat nopeasti kevyemmiksi hiukkasiksi, usein leptoneiksi.

Leptonit

Leptonit ovat alkeishiukkasten tyyppi, jotka eivät koostu kvarkeista. Ne ovat kevyitä, joista nimi leptonikin tulee: leptoni tulee kreikankielen sanasta "kevyt". Leptoneista kolme ovat varaukseltaan negatiivisia: elektroni, myoni ja tauhiukkanen. Kolme leptonia ovat neutraaleja ja nimeltään neutriinoja. Neutriinoilla on hyvin vähän massaa tai ei ollenkaan, ja ne ovat liittyneinä varautuneisiin leptoneihin.

Hiukkasreaktioissa yksi tyyppi tuottaa vain elektroneja (elektroni-neutriino), yksi ainoastaan myoneja (myonineutriino) ja kolmas tyyppi tauhiukkasia (tauneutriino).
Leptoneilla on kvarkkien tapaan antihiukkaset. Elektronit ja kolme neutriinotyyppiä näyttävät olevan vakaita, mutta myoni ja tauhiukkanen hajoavat kevyemmiksi hiukkasiksi. Myoni voi hajota vain elektroniksi. 

Loppuyhteenveto

Aine koostuu atomeista, joka taas koostuu ytimestä (protoneista ja neutroneista) ja sitä verhoavasta elektronipilvestä. Protonit ja neutronit eivät ole alkeishiukkasia, toisin kuin elektronit. Alkeishiukkaset ovat hiukkasia, jotka eivät todennäköisesti koostu enää pienemmistä osista. Protonit ja neutronit koostuvat kvarkeista, jotka ovat elektronin lailla alkeishiukkasia.

Kaikki alkeishiukkaset ovat joko bosoneja eli voimanvälittäjähiukkasia tai ferimioneja eli  ns. materiaalihiukkasia. Bosonit ja ferimionit eroavat toisistaan mm. niiden spinin luvun osalta (bosoneilla kokonaisluku, ferimioneilla puoliluku) ja niiden aaltofunktion käyttäytymisen osalta.

Alkeishiukkasia ovat leptonit, kvarkit ja mittabosonit. Leptoneihin kuuluvat elektronit, myonit, tau, neutriinot sekä niiden antihiukkaset. Kvarkit muodostavat hadroneja, jotka jaetaan kvarkkien lukumäärän mukaan baryoneihin (3 kvarkkia, esim proteiini ja neutroni kuuluvat tähän) sekä mesoneihin (2 kvarkkia). Mittabosonit välittävät perusvuorovaikutuksia / perusvoimia.

Aineen rakenteen selittämiseen tarvitaan vain 2 kvarkkia sekä 1 varattu leptoni ja 1 neutraali leptoni.



Opin erittäin paljon alkeishiukkasista tämän blogitekstin myötä! Ensi kerralla tutustun enemmän sähköön! P.s Pionia sanottiin aluksi piiksi! <3__<3 Siihen liittyen tiedänkin, minkä annan seuraavan robotin nimeksi <3

https://s-media-cache-ak0.pinimg.com/originals/30/80/55/3080555938afa277a1698ab0ee45e286.png