Rieth József: Anyagvilág - Háttéranyag

Részecskecsaládok

Tartalomjegyzékhez < Világképem <    (Kvark-időszak, Hadron-időszak)     

A részecskefizika standard modellje szerint az elemi részecskék három családba (angol elnevezés szerint generációba) sorolhatóak. A különböző családokban nagyon hasonló tulajdonságú részecskék találhatóak, de a tömegük jelentősen eltérő.

A körülöttünk álló világot döntő részben az u és a d kvark, valamint az elektron (e^-) építi fel. A proton például két u és egy d-kvarkból áll, a neutron két d és egy u-kvarkból. Az atommag-átalakulások egy részénél szerepe van még az elektronneutrínónak (ν_e) is, egy nagyon kismértékben kölcsönható anyagnak is. Ezek alkotják az elemi részecskék első családját.

A táblázat további oszlopaiban a nekik megfelelő nehezebb második-harmadik családbeli részecskék találhatók. Az alsó két sorban a leptonok, a felső kettőben a kvarkok, amelyek nem fordulnak elő szabadon, csak hadronokba zárva.

Hol van a többi család?

Habár csak 1963-ban merült fel, hogy a hadronok kvarkokból állnak, és 1970-ben a GIM-mechanizmus kidolgozásakor – ami rámutatott arra, hogy az elektrogyenge elméletet akkor lehet a mértékanomáliától megszabadítani, ha a leptonok és kvarkok száma azonos –, hogy a részecskék családokba sorolhatóak, már jóval korábban ismertek voltak második-harmadik családbeli leptonok illetve olyan részecskék, amelyek második-harmadik családbeli kvarkokat tartalmaznak.

Leptonok

1937-ben Carl David Anderson felfedezte a müont a kozmikus sugárzásban, a tömege 200-szorosa az elektronénak, más szempontokból viszont (töltése) hasonlított rá. Ez volt az elsőnek felfedezett részecske a második családból, egy lepton. 1962-ben a Lederman által vezetett kétneutrínó-kísérletben derült ki, hogy nem egyféle neutrínó létezik, hanem egy olyan, ami az elektronhoz, és egy olyan, amely a müonhoz társítható. A legnehezebb leptont, a tau-leptont csak 1975-ben fedezte fel Perl.

Hadronok

A második és harmadik részecskecsaládhoz tartozó kvarkok létrejöttéhez nagyobb energiára van szükség, mint az elsőhöz tartozók esetében, ezért sokáig nem találtak ilyeneket tartalmazó részecskéket. A legkisebb tömegű kvark a két családban az s-kvark (strange quark, strange = ritka), az első ilyen kvarkot tartalmazó részecskét, a kaont (az egyik mezont) 1947-ben fedezték fel. A táblázat csak 1995-ben lett teljes a legnehezebb kvark a t-kvark (top quark) felfedezésével.

Szabad kvarkok az ősidőben és most

A világegyetem Ősrobbanás utáni korai forró időszakában viszont sok második és harmadik generációs kvark volt, de a világegyetem tágulásával és hűlésével egyre kisebb energia jutott egy részecskére, így azok elbomlottak kisebb tömegű részecskékre. Ezen korai fázisban a kvarkok és gluonok forró plazmát alkottak, a kvark-gluon plazmát, majd a tágulás és lehűlés közben fázisátalakulás révén kialakultak a hadronok, azaz a kvarkokat az erős kölcsönhatás „börtönbe zárta”. Jelenleg nagy gyorsítókkal vizsgálják az elmélet helyességét, a kvark-gluon plazma nagyenergiájú részecskegyorsítókban való kialakulásának körülményeit és tulajdonságait.

Hány részecskecsalád van?

Az egymást követő családokat egyre később találták meg, mivel azok egyre nagyobb tömegű részecskéket tartalmaznak, amelyek előállításához egyre nagyobb energiára kell a részecskéket gyorsítani. Felmerül a kérdés, hogy nincs-e még nehezebb elemekből álló negyedik generáció. Két független mérés azt mutatja viszont, hogy pontosan három részecskecsalád létezik. A modern elméleti részecskefizika egyik nagy nyitott kérdése, hogy miért pont három család van, és miért vannak egyáltalán családok.

Z-szélességből

A CERN nagy elektron-pozitron gyorsítógyűrűjének (a LEP-nek) a mérései első időszakában a Z-bozon bomlását vizsgálták. Az annál gyorsabban bomlik el, mennél többféle lehetősége van. Mennél többféle neutrínó létezik, annál többféle módon bomolhat, annál gyorsabban bomlik. A LEP méréseiben az összeütköző elektronok és pozitronok energiája eleinte a Z-bozon nyugalmi tömegének megfelelő energia környékén voltak: a határozatlansági reláció miatt már akkor is létrejöhet a Z-bozon, amikor az összenergia még kisebb, mint a Z-bozon tömegnek megfelelő. Az energia növelésével a Z-bozon létrejötte, és ezzel együtt a kölcsönhatás valószínűsége (hatáskeresztmetszete) is megnövekszik, majd a Z-bozon tömegét elhagyva ismét csökken. Ennek a görbének a félértékszélessége függ a Z-bozon élettartamától. A félértékszélességből kiszámítható a létező (könnyű)neutrínók száma. Ha a negyedik generáció neutrínója jelentősen nehezebb lenne a Z-bozonnál, akkor a mérés hamis eredménnyel szolgálna, erre azonban a három család neutrínóinak rendkívül kicsi tömege alapján kicsi az esély. A LEP a működése során rengeteg Z-bomlást vizsgált, amelyből a standard modell alapján végzett számításokból a könnyű neutrínók számára N=2,994±0,012 értéket kaptak.

Energiafelbontás (energy resolution) és csúcsalak (peak shape)

Az energiafelbontás meghatározza, hogy milyen távol kell egymástól lennie két csúcs maximumának ahhoz, hogy különböző megbízhatósággal és pontossággal külön lehessen választani és kiértékelni őket. Az energiafelbontás kifejezésére a csúcs különbözõ magasságaiban mért szélességet használjuk:

félértékszélesség (Full Width at Half Maximum, FWHM): Félmagasságban mért csúcsszélesség. Két azonos területű, egymás maximumától 1 x FWHM távolságra levő teljesenergia-csúcs például könnyedén azonosítható összetett csúcsként, amit a spektrumkiértékelõ programok jó pontossággal részeikre választanak. Kalibrációja fontos. NaI(Tl): relatív FWHM(661.7 keV) ³ 6–7%, azaz ³ 40 keV, HPGe: FWHM(1332.5 keV) » 1.7 keV.

Tizedmagaságban mért csúcsszélesség. FWTM (Full With at Tenth Maximum or FW0.1M). A csúcsszélességek arányai a csúcsalakot minõsítik, és folyamatos minõségbiztosításra nyújtanak egyszerû módon lehetõséget. Jól beállított mérõrendszer esetében például a FWTM/FWHM £ 1.9.

Hidrogén–hélium-arányból

A CERN-es méréstől függetlenül a világegyetem anyagösszetételéből is kiszámítható a részecskecsaládok száma. Kezdetben ugyanis a protonok és neutronok száma megegyező. Meddig van ez így? A tömegkülönbségüknek megfelelő energia 1,293 MeV. Ha ennél jóval nagyobb a részecskék egy szabadsági fokra jutó energiája, akkor a leptonokkal ütközve minkét irányú átalakulás előfordul. A Maxwell–Boltzmann-eloszlásból kiszámítható, hogy 100 MeV → 10¹² K esetén még lényegében 1 az arány, a hőmérséklet csökkenésével viszont egyre nagyobb lesz a proton/neutron arány, viszont elkezdődik a könnyű atommagok képződése, melyben a neutronok már nem bomlanak. Az, hogy ez a lehűlés milyen gyorsan megy végbe, és ezáltal a neutronok mekkora része tud elbomlani, függ attól, hányféle lepton van. A világegyetem anyagösszetétele megfigyelhető: a proton/neutron arány 87/13, amelyből levezethető, hogy háromféle leptoncsalád, és ezáltal háromféle részecskecsalád van. Bővebben: [Lovas, 2000, 47-48. old.]

Tartalomjegyzékhez < Világképem <  Kvark-időszak     

---------------------

http://hu.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9szecskecsal%C3%A1dok

http://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/konyvek/fizkem/gamma/sokcsat/enefelbo.html