Innehåll
- Kvarkar och leptoner är båda grundläggande partiklar
- Leptoner har heltalskostnad; Quarks har fraktionell avgift
- Leptoner kan existera fritt; Quarks kan inte
- Kvarkar och leptoner är föremål för olika grundläggande krafter
Partikelfysik är fysikens underfält som behandlar studiet av elementära subatomära partiklar - de partiklar som utgör atomer. I början av 1900-talet gjordes många experimentella genombrott som antydde att atomer, som tros vara den minsta delen av materien, bestod av ännu mindre partiklar. Nya teorier togs fram för att förklara detta (som standardmodellen för partikelfysik), många nya experiment designades (med hjälp av utrustning som partikelacceleratorer) och det blev gradvis klart att partiklarna som utgör atomer kan brytas ned ytterligare. Två exempel på sådana partiklar är kvarkar och leptoner, och även om dessa typer av partiklar har mycket gemensamt är deras skillnader ofta starka.
Kvarkar och leptoner är båda grundläggande partiklar
Quarks (uppkallad av Nobelprisvinnaren Murray Gell-Mann efter ett citat i boken "Finnegans Wake" av James Joyce) och leptoner tros för närvarande vara de mest grundläggande partiklarna som finns; det vill säga, de kan inte brytas ner i ytterligare beståndsdelar. Kvarkar och leptoner är inte heller själva partiklar; snarare hänvisar de till familjer med partiklar som var och en innehåller sex medlemmar. Kvarkfamiljen av partiklar består av upp, ner, topp, botten, charm och konstiga partiklar, medan leptoner består av elektron, elektronneutrino, muon, muon neutrino, tau och tau neutrino partiklar. Det finns också antipartiklar associerade med varje partikel, varvid antipartikeln är spegeln motsatt av motsvarande partikel (t ex med motsatt laddning).
Leptoner har heltalskostnad; Quarks har fraktionell avgift
Leptoner har en elektrisk laddning av antingen en grundladdningsenhet (definierad som laddningen för en enda elektron), i fallet med elektron, muon eller tau, eller ingen laddning, för motsvarande neutrino. Kvarkar har å andra sidan bråkdelar (+/- 1/3 eller +/- 2/3, beroende på kvarken). När dessa kvarkar grupperas tillsammans, summerar summan av deras laddningar alltid upp till en heltalskostnad. Om till exempel två upp kvarkar och en ner kvark (med laddningar på respektive +2/3 respektive -1/3) är grupperade, lägger summan av laddningarna upp till +1 och en ny partikel skapas. Denna nya partikel är protonen, en av de viktigaste komponenterna i atomkärnan.
Leptoner kan existera fritt; Quarks kan inte
Medan kvarkar alla har en fraktionerad laddning, kommer en kvark aldrig fritt att existera i naturen; detta beror på en grundläggande kraft som kallas den "starka kraften." Den starka kraften, som förmedlas av kraftbärande partiklar som kallas gluoner, verkar i atomkärnan och håller kvarter lockade till varandra. Kraften mellan kvarkarna ökar när de rör sig isär, vilket säkerställer att en fri kvark aldrig upptäcks. Studiefältet som ägnas åt interaktioner mellan kvarkar och gluoner kallas kvantkromodynamik (QCD). Leptoner är å andra sidan mycket "oberoende" partiklar och kan isoleras.
Kvarkar och leptoner är föremål för olika grundläggande krafter
Det finns fyra grundläggande krafter i naturen: den starka kraften (som håller atomkärnor och kvarkar tillsammans), den svaga kraften (som är ansvarig för radioaktivt sönderfall), den elektromagnetiska kraften (som hjälper till att hålla atomer samman) och gravitationskraften (som verkar alla objekt med massa eller energi i universum). Quarks är föremål för alla grundläggande krafter; leptoner å andra sidan är föremål för alla krafter utom för den starka kraften. Detta beror på att den starka kraften har ett mycket kort intervall, vanligtvis mindre än för en atomkärna; därför är den starka styrkan i allmänhet begränsad till detta område. De svaga, elektromagnetiska och gravitationella krafterna kan å andra sidan verka på ett mycket större avstånd än den starka kraften kan.