SadrajUvod.......................................................................................................................21. Prirodna meudjelovanja................................................................................32. Elementarne estice..........................................................................................52.1. Povijesni razvitak pojma elementarne estice.....................................52.2. Podjela elementarnih estica............................................................... 6 2.3.1. Podjela elementarnih estica prema masi.............................6 2.3.2. Podjela elementarnih estica prema meudjelovanju...........62.3.3. Podjela elementarnih estica prema spinu............................9 2.3.3. Badarni bozoni....................................................................92.3.6. Kvarkovi..............................................................................103. Standardni model............................................................................................12

Uvod U radu su navedene i pojanjena prirodna meudjelovanja, definisan je pojam elementarne estice, navedene su njihove klasifikacije po odreenim kriterijima i njihove osobine da bi lake shvatili glavnu temu standardni model. Standardni model fizike elementarnih estica je teorija koja opisuje fundamentalne estice koje sainjavaju na univerzum kao i tri od etiri prirodne interakcije (jaka, slaba i elektromagnetska, izostavljajui gravitaciju) koje djeluju izmeu njih.

Prirodna meudjelovanja

Prirodna meudjelovanja ili fundamentalne sile su djelovanja meu esticama koje je neophodno za postojanje univerzuma. Djeluju razmjenjivanjem estica, tkz. badarni bozoni, koji prenose odreenu silu. Postoje etiri fundamentalne sile: gravitaciona, elektromagnetska, jaka nuklearna i slaba nuklearna. Gravitacija je privlana sila koju osjeaju sve estice u ovisnosti o njihovoj masi i energiji. Ona je zasluna za ureenje i postojanje sunevog sistema, galaksija i cijelog univerzuma. Prenose je gravitoni, estice koje jo nisu eksperimentalno dokazane. Gravitoni nemaju masu to znai da je gravitacija beskonanog dometa. Zanimljiva karakteristika za gravitaciju je to ne moe biti odbojna i to je nevjerovatno slaba, tanije najslabija prirodna sila. Za fiziare koji se bave kvantnom gravitacijom, koji ele da je objasne potivajui principe kvantne mehanike, gravitacija predstavlja razmjenu gravitona meu dva objekta manifestirajui time privlanost. Nae trenutno shvatanje o gravitaciji, bazira se na teoriji generalne ili ope relativnosti, koju je veliki, ameriki, (roen u Njemakoj) teoretski fiziar Albert Einstein objavio 1916. godine u kojoj on tumai gravitaciju kao posljedicu krivljenja prostora prouzrokovanim velikim masivnim tijelima poput zemlje ili sunca. Problem uklapanja gravitacije i standardnog modela je danas zadatak mnogim fiziarima. Navedenom problemu u posvetiti poseban naslov. Elektromagnetska sila je zasluena za elektricitet i magnetizam. Ona povezuje nukleus (jezgro) i elektrone u atom. Djeluje samo meu naelektrisanim esticama. Naboj moe biti pozitivan ili negativan. estice istog naelektrisanja se odbijaju, a razliitog privlae. Primjera radi, atomi mogu postojati kao cjelina jer su protoni pozitvno naelektrisani a elektroni negativno. Ove estice pune okolni prostor esticama koje prenose elektromagnetizam, stvarajui polje, tako da elektron ''zna'' da se treba privlaiti protonu, a ne neutronu koji nije naelektrisan. Prijenosnici ove sile su fotoni, estice bez mase kao gravitoni, to takoer znai da ova sila nema ogranien domet djelovanja. Njena jainu u odnosu na gravitaciju iznosi nevjerovatnih . Kvantnomehanika teorija koja opisuje elektromagnetizam zove se kvantna elektrodinamika ((QED)) Slaba nuklearna sila je u stanju potpuno promjeniti identitet jedne estice a takoer je zaluena za radioaktivnost nekih atoma. Naziv je dobila po tome to je izuzetno kratkodometna sila. Djeluje na manjim rastojanjima od prenika protona. Odgovorna je za raspad, odnosno vrstu radioaktivnog raspada atomskih jezgara. Jedina je sila koja moe promjeniti tip kvarka i koja kri zakon ouvanja parnosti u kvantnoj mehanici. Prenose je W i Z bozoni. W bozoni mogu biti pozitivnog i negativnog naboja. Z bozoni su neutralni. Ove estice se zajedno zovu vikoni. Njena jainu u odnosu na gravitaciju iznosi . Trenutna teorija koja najbolje opisuje slabu silu zove se teorija elektroslabe sile. Jaka nuklearna sila povezuje kvarkove u protone i neutrone kao i to povezuje protone i neutrone u jezgro, to znai da bez ove sile atomi ne bi uopte postojali. Jaka sila je najjae prirodno meudjelovanje ali i najkraeg djelovanja. Njena relativna jaina iznosi nevjerovatnih . Djeluje na rastojanjima od do m, gdje vezuje protone i neutrone u jezgru, i na rastojanjima od m, gdje djeluje meu kvarkovima. estice koje prenose ovu silu nazivaju se gluoni. Kvantna teorija koja opisuje ovu silu naziva se kvantna hromodinamika (QCD).

Elementarne esticePovijesni razvitak pojma elementarne estice Ideja o najsitnijim, nedjeljivim djeliima materije, koji predstavljaju fundamentalne blokove od kojih je izgraen univerzum, datira jo iz 5. vijeka prije nove ere. Grki filozofi Demokrit i Leukip su svojom pretpostavkom, da je materija graena od nepropadljivih estica, osnovali novo filozofsko uenje nazvano atomizam (atomon, gr. ''nedjeljiv'' ). Ovo uenje su podravali islamski i indijski filozofi kao to su Al Ghazali, Ibn sina, Kanada, Dignaga i Dharmakirti. Ti poeci su se temeljili samo na filozofskom miljenju, bez eksperimentalnih dokaza. Teorija o atomima se nije znaajno razvijala do 1803. godine kada je John Dalton na osnovu eksperimenata predloio svoje principe atomske teorije. Bitan dokaz o postojanju atoma je 1905. godine pruio Albert Einstein, kada je brownovo kretanje (haotino kretanje sitnih estica u nekoj tenosti) tumaio kao posljedicu stalnog sudaranja atoma i estica praine. 1911. godine britanski fiziar Ernest Rutherford je napravio znaajno otkrie koje e promjeniti naa shvatanja o stvarnom sastavu materije. Rutherford je slao pozitivne estice kroz zlatnu foliju, iza i pored koje je postavio detektore. Veina estica je prolo kroz foliju, ali znatan broj je skrenuo putanju, a neke su se ak i odbile. Primjetivi to na detektoru, Rutherford je zakljuio da postoje teka, pozitivna jezgra u atomima koja su nazvana protoni.Nedugo nakon toga otkriven je neutron kao i dvije vrste interakcija jaka i slaba. Razvojem tehnologije, fiziari su, 50-ih godina, efikasno prouavali unutarnju strukturu estica pomou akceleratora, ureaja koji stvaraju visokoenergetske snopove estica ijim usmjeravanjem dolazi do sudaranja, odnosno rasprivanja estica na jednostavnije komponente. Do 1970. godine otkriveno je nekoliko stotina subatomarnih estica, to je bilo haotino i besmisleno za fiziare. Ovaj novootkriveni subatomarni svijet je zbog svoje raznolikosti i broja, dobio nadimak ''zooloki vrt estica''. Na poetku istraivanja, naunici su smatrali da otkrivaju elementarne estice, ali poveavanjem broja novootkrivenih estica fiziari su poeli sumnjati u njihovu elementarnost.Elementarne estice definiemo kao estice koje nemaju unutarnju grau, odnosno one koje se ne mogu razloiti na jednostavnije, elementarnije, estice.Ispostavilo se da veina otkrivenih estica imaju unutarnju grau, uglavnom od kvarkova (kvarkovima u se detaljnije posvetiti), pa su se elementarne svele na samo desetak.

Podjela elementarnih estica

Podjela elementarnih estica prema masiFiziari su zbog velikog broja novootkrivenih estica izvrili klasifikaciju po odreenim kriterijima. Najjednostavnija podjela je izvrena prema masi: 1. Leptone (gr. leptos lagahan) 2. Mezone (gr. mezos srednji) 3. Barione (gr. baros teak)Vremenom je ovakav nain klasifikacije ukazao na nekoliko greaka, zahtijevajui time novu, jasniju podjelu.

Podjela elementarnih estica prema meudjelovanjaOva podjela se bazira na dvije grupe estica, gdje jedna grupa uestvuje u jakoj sili a druga ne. Shodno tome postoje leptoni i hadroni.Leptoni su estice koje ne uestvuju u jakoj interakciji sa spinom od . U ovu grupu spada 6 elementarnih estica.Tabela 1. Leptoni

Naziv esticeSimbolMasa (MeV)Elektrini naboj ( CVrijeme ivotaSpin

Elektron0.511-1e god1/2

Taon1784-1e1/2

Mion105.7-1e1/2

Elektronski neutrino< 46 eV01/2

Taonski neutrino < 25001/2

Mionski neutrino< 0.520?1/2

Hadroni su sloene estice koje meudjeluju jakom silom i koje su sainjene od kvarkova . Oni predstavljaju najtee estice u subatomarnom svijetu. Hadroni se dijele na mezone i barione. Mezoni su estice cjelobrojnog spina (0,1,2...), a grade ih kvark-antikvark parovi. Najpoznatiji mezon je pion koji ima vanu ulogu u odravanju cjelovitosti jezgre u atomu.

Tabela 2. MezoniNaziv esticeSimbolSastavElektrini nabojMasa (MeV)Vrijeme ivota (s)Spin

- mezon(pion)

ude0e139,6135

0

K- mezon(kaon)

usdsdse0e0e493,7497,7497,7

0

- mezon

0e0e548,8958>?0, 1, 2...

- mezon

uduudd1e0e770770

1

- mezonuu, dd0e7821

- mezonss0e10201

D- mezon

cdcucse0ee1869,41864,61969

1

- mezoncc0e3096,91

B- mezon

budbsbe0e0e527952795370

?0

Y- mezonYbb0e9460,41

12

Barioni su estice, koje za razliku od mezona imaju polovian spin (1/2, 2/3, 3/2...). Njih grade tri kvarka koji razmjenjivaju gluone stvarajui tako stabilnu vezu. U barione spadaju protoni, neutroni i niz drugih estica.Tabela 3. BarioniNaziv esticeSimbolSastavElektrini nabojMasa (MeV)Vrijeme ivota (s)Spin

Proton(nukleon)uud+1e938,3>god1/2

Neutron(nukleon)ddu0e939,6925111/2

- hiperonuds0e115,61/2

- hiperon

uusddsuds+1e-1e0e1189,41197,31192,5

1/2

- hiperon

uuuuuddddudd+1e+1e-1e0e12323/2

- hiperon

dssuss-1e0e13211315

1/2

- hiperonsss-1e16723/2

- hiperonudc+1e22811/2

Podjela elementarnih estica prema spinu Spin je kvantnomehaniki fenomen koji predstavlja ugaoni impuls estice. Ova osobina, koju posjeduju estice, je kvantizirana tj. moe poprimiti samo odreene vrijednosti koje se oznaavaju brojevima (0,1/2,2/3...). Prema spinu estice se mogu podijeliti na fermione i bozone. Fermioni (Enrico Fermi, - talijanski fiziar po kome su dobili ime) su estice koje imaju polovian (1/2, 3/2, 5/2...) spin i koje potivaju Paulijev princip iskljuenja. Po principu iskljuenja dva identina fermiona ne mogu zauzimati istovremeno isto kvantno stanje, odnosno ne mogu imati iste vrijednosti svih kvantnih brojeva. Shodno tome u fermione ubrajamo leptone, kvarkove i barione. Bozoni su estice koje imaju cjelobrojan spin (0, 1, 2...). U bozone spadaju prenosnici sila (badarni bozoni) i mezoni.

Badarni bozoni Badarni bozoni su estice koje prenose odreenu silu, to znai da sve prirodne sile imaju posebne estice koje su nosioci osobina tog meudjelovanja. Fotoni su kvatni elektromagnetskog zraenja. Oni nemaju masu, niti naboja, a vrijednost spina im je 1. S obzirom na injenicu da nemaju masu, fotoni imaju beskonaan domet djelovanja. Oni su dualne prirode to znai da djeluju kao estica i kao val. Takvu osobinu pokazuju u razliitim fizikalnim fenomenima. Naprimjer, fotoni se ponaaju kao valovi kada je rije o difrakciji, a kao estice u fotoelektrinom efektu. Gravitoni prenose silu gravitacije. Ove estice jo nisu eksperimentalno dokazane ali se na osnovu poznavanja gravitacije mogu pretpostaviti i njihove osobine. Pretpostavlja se da nemaju masu odnosno da su beskonanog dometa djelovanja, da nemaju naboj i da im je spin 2. Gluoni su prenosnici jake nuklearne sile. Nemaju naboja ni masu a vrijednost spina im je 1. Gluoni ne mogu postojati samostalno ve nastaju samo u interakciji meu dva kvarka. Oni povezuju kvarkove u protone i neutrone. Prema teoriji kvantne hromodinamike postoji 8 nezavisnih tipova gluona od kojih svaki moe imati najmanje 2 boje. Kolor naboj ili boja je svojstvo gluona i kvarkova koje ima vanu ulogu u jakoj nuklearnoj sili. Zanimljiva karakteristika je to se kvarkovi vie udaljavaju jedni od drugih, nuklerna sila postaje jaa. W i Z bozoni su prenosnici slabe nuklearne sile. W bozon moe biti pozitivnog ili negativnog naboja dok je Z bozon neutralan. Vikoni (zajedniki naziv) su 80-90 puta masivniji od protona. W bozon mijenja vrstu kvarkova dok Z bozon uestvuje u procesu neutralnog toka. Kvarkovi Kvarkovi su subatomarne estice koje grade protone, neutrone i druge sloene estice (hadrone, mezone, barione..). Oni predstavljaju fundamentalne blokove materije. Model kvarka su predloili 1964. godine ameriki fiziari Murray Gell-Man i George Zweig. Time su htjeli objasniti unutarnju strukturu hadrona znajui da su hadroni kompozitne estice. Njihov model sadravao je tri vrste kvarkova dok je danas poznato 6 vrsta: donji (d), gornji (u), armantni (c), strani (s), dubinski (b) i povrinski (t). Kvarkovi spadaju u fermione to znai da imaju spin od 1/2. Naboj kvarkova je polovian, a moe biti 2/3 ili 1/3 to zavisi od vrste kvarka. Kvarkovi u, t i c imaju +2/3 elementarnog naboja, dok d, b i s imaju naboj od -1/3e. Mase pojedinih kvarkova se drastino razlikuju od drugih. U i d kvarkovi imaju najmanju masu u poreenju sa ostalim kvarkovima to ih ini najstabilnijim meu njima. T kvark je daleko najmasivniji. Njegova masa je priblina masi atoma zlata. Fiziari se nadaju da e uskoro shvatiti razlog zbog ega je t kvark ovoliko masivan, a time moda i pomoi u otkrivanju porijekla mase elementarnih estica uopte.

Slika 1. Mase pojedinih kvarkova predstavljene radi uporeivanja u loptama proporcionalnog volumena. U donjem lijevom uglu su prikazani proton i elektron (crveno)

Dodatna osobina kvarkova jeste kolor naboj ili boja (s obzirom da je kvarkove nemogue vidjeti, ovaj naziv nema veze sa bojama kakve ih mi poznajemo). Kolor naboj igra analognu ulogu elektrinom naboju, ali s obzirom na kompleksnost kvantne hromodinamike postoje odreene razlike. Boja moe biti zelena, plava, crvena, i za antikvarkove: anti-zelena, anti-plava i anti-crvena. Svakom kvarku se u nekoj sloenoj estici pripisuje jedna boja. Naprimjer, proton se sastoji od dva u i jednog d kvarka. Svaki kvark u protonu ima razliitu boju koje zajedno stvaraju neutralnu ili ''bijelu'' boju koja ih dri na okupu. Zadaa gluona jeste da konstantno mijenja boje meu kvarkovima tako to ih ovi razmjenjuju garantirajui tako cjelovitost protona. Tako U i d kvarkovi grade na jedinstven nain protone i neutrone pa su oni, kvarkovi, ustvari najprostije gradivne jedinke naeg univerzuma odnosno materije.

Slika 2. Kvark kao najmanja gradivna jedinka materije

Standardni model

Teorije i otkria fiziara irom svijeta, kao i tehnoloki razvoj od 1930. godine omoguio nam je uvid u fundamentalnu strukturu materije. U drugoj polovini 20. stoljea ispostavilo se da je kosmos sazdan iz samo nekoliko strukturnih jedinki tzv. elementarne estice koje meudjeluju prirodnim silama. Fiziari su svoja shvatanja o funkcionisanju estica i sila uspjeli uklopiti u jednu teoriju koju su nazvali standardni model fizike elementarnih estica. Naunici su s tim napravili veliki korak u otkrivanju ''teorije svega'' to je i glavni cilj moderne fizike. Standardni model fizike elementarnih estica je teorija koja uspjeno opisuje interakcije izmeu prirodnih sila (osim gravitacije) i elementarnih estica dajui nam jasniju sliku o funkcionisanju i grai naeg univerzuma. Standardni model takoer predstavlja sistematizaciju velikog broja novootkrivenih estica odvajajui elementarne estice od drugih, sloenih. Fiziari su u mogunosti da uspjeno objanjavaju rezultate eksperimenata. Takoer su u stanju pomou standardnog modela da nevjerovatnom tanou predvide egzistenciju i masu estica prije nego to ih eksperimentalno dokau. Tabela 4. Izmejrena i predviena masa pomou SMNaziv esticeIzmjerena masa (GeV)Predviena masa SM (GeV)

W bozon80.387 0.01980.390 0.018

Z bozon91.1876 0.002191.1874 0.0021

Standardni model se sastoji iz tri generacije kvarkova i leptona, badarnih bozona i higgs bozona. Slika 3. Standardni model Uzimajui u obzir antiestice i razliite boje pojedinih estica, dolazimo do podatka da standardni model sadri 61 esticu.TipoviGeneracijeAntiesticeBojeUkupno

Kvarkovi23336

Leptoni23-12

Gluoni1188

W bozon11-2

Z bozon11-1

Foton11-1

Higgs11-1

Ukupno61

On ukljuuje 12 fermiona, odnosno 12 elementarnih estica spina 1/2, od kojih svaka ima svoju antiesticu. Od fermiona u sastav standardnog modela ulaze: 6 kvarkova (gornji, donji, armantni, strani, povrinski i dubinski), 6 leptona (elektron, mion, taon, elektronski neutrino, mionski neutrino i taonski neutrino)