Fermion

Standardni model elementarnih čestica, s baždarnim i Higgsovim bozonom.

Pogreška pri izradbi sličice:

Proton je građen od dvaju gornjih (u) kvarkova i jednoga donjega (d) kvarka. Odabir boja pojedinih kvarkova je proizvoljan, ali sve tri boje moraju biti prisutne. Jake nuklearne sile između kvarkova posredovane su gluonima.

Datoteka:Temeljne čestice 1.png

Sažetak međudjelovanje između subatomskih čestica opisanih standardnim modelom.

Datoteka:Quark structure neutron.svg

Neutron je građen od jednog gornjeg (u) kvarka i dvaju donjih (d) kvarkova. Jaku nuklearnu silu posreduju gluoni (valovi). Jaka nuklearna sila ima tri vrste naboja, crveno, zeleno i plavo. Imajte na umu da je izbor plave boje za gornji kvark proizvoljan; pretpostavlja se da "naboj u boji" kruži između 3 kvarka.

Datoteka:Electrona in crystallo fluentia.svg

Električna struja je usmjereno gibanje slobodnih elektrona.

Datoteka:FirstNeutrinoEventAnnotated.jpg

Upotrebom komore na mjehuriće prvi puta je otkriven neutrino 13. prosinca 1970. Neutrino je udario proton u vodikovom atomu. Sraz se vidi na desnoj strani, gdje se sijeku 3 linije.

Datoteka:Fusion in the Sun.svg

Niz proton-proton ili p-p niz prevladava kod zvijezdi veličine našeg Sunca ili manjih.

Fermion (po E. Fermiju) je subatomska čestica polucjelobrojnoga spina (1/2 ili 3/2) kojoj se svojstva mogu opisati Fermi-Diracovom statistikom. Primjerice spin je leptona i kvarkova jednak broju 1/2. Podvrgavaju se Paulijevu načelu isključenja. Čestice složene od neparnog broja elementarnih fermiona također su fermioni (na primjer proton, neutron, atomska jezgra tricija ³H, jezgra helija ³He, jezgra ugljika ¹³C), a čestice složene od parnog broja fermiona su bozoni (na primjer jezgra deuterija ²H, jezgra helija ⁴He, jezgra ugljika ¹²C). Sva poznata materija današnjeg svemira sastavljena je od fermiona: bariona i leptona.

Fermion	Znak	Antičestica	Električni naboj Q/e	Spin	Masa mirovanja (MeV/c2)
elektron	e-	e+	-1	1/2	0,5
mion	ν-	ν+	-1	1/2	106
tauon	τ-	τ+	-1	1/2	1,78
elektronski neutrino	νe	νe	0	1/2	< 2,2
mionski neutrino	νμ	νμ	0	1/2	< 1,7
tauonski neutrino	ντ	ντ	0	1/2	< 15,5
proton	p	p	+1	1/2	938,3
neutron	n	n	0	1/2	939,6

Kvarkovi i leptoni

Pogreška pri izradbi sličice: Podrobniji članci o temama: Kvark i Lepton

Zanimljiva je činjenica da popis svih elementarnih čestica koje izgrađuju svu materiju (tvar) u svemiru jednostavno stane na jedan list papira. Prema standardnom modelu tih elementarnih čestica ima ukupno 12. One su podijeljene u dvije grupe čestica koje nazivamo kvarkovi i leptoni. Postoji 6 kvarkova i 6 leptona (jednim imenom se nazivaju fermioni).

Popis kvarkova i leptona

Kvarkovi	Leptoni
Gornji (u – eng. up)	Elektron (e-)
Donji (d – eng. down)	Elektronski neutrino (𝜈𝑒)
Čarobni (c – engl. charm)	Mion (𝜇−)
Strani (s – engl. strange)	Mionski neutrino (𝜈𝜇)
Vršni (t – engl. top)	Tauon (𝜏)
Dubinski (b – engl. bottom)	Tau neutrino (𝜈𝜏)

Poznato nam je da je elektron jedan od graditelja atoma i čestica koja je odgovorna za električnu struju u električnom vodiču. Elektron je elementarna čestica što znači da nema unutrašnju podstrukturu. Svih 12 čestica u tablici gore smatraju se elementarnim česticama. Iznenađujuće je to da se proton i neutron ne spominju u toj tablici.

Sva materija sačinjena je od atoma, svaki atom je sačinjen od negativno nabijenih elektrona koji kruže oko male, teške, pozitivno nabijene atomske jezgre. S druge strane, jezgra atoma se sastoji od protona, koji imaju pozitivan električni naboj, i neutrona, koji su bez naboja. Ako je iznos naboja protona isti kao i kod elektrona (ali suprotnog predznaka), neutralni atom će sadržavati jednak broj protona u jezgri i elektrona u orbiti. Broj neutrona je obično isti kao i broj protona, no može biti malo drugačiji dajući tako različite izotope atoma.

Kao što se prije vjerovalo da je atom osnovna građevna jedinica materije, a zatim je otkriveno da se sastoji od još elementarnijih čestica: elektrona, protona i neutrona, isto tako sada znamo da protoni i neutroni nisu elementarne čestice, ali elektron je bio i ostao elementaran. Protoni i neutroni su sačinjeni od kombinacije gornjih i donjih kvarkova. Budući da imaju unutrašnju podstrukturu, ne mogu se smatrati elementarnim česticama. Proton se sastoji od dva gornja i jednog donjeg kvarka, a neutron od dva donja i jednog gornjeg kvarka. To možemo prikazati na sljedeći način:

${\mbox{p}}={\mbox{u}}{\mbox{u}}{\mbox{d}}$

${\mbox{n}}={\mbox{d}}{\mbox{d}}{\mbox{u}}$

Budući da proton nosi električni naboj, neki od kvarkova također moraju biti nabijeni. Međutim, isti kvarkovi, samo u drugoj kombinaciji, postoje i unutar neutrona koji je bez naboja. Zbog toga se naboji kvarkova moraju zbrojiti u kombinaciji koja čini proton, a poništiti u kombinaciji koja čini neutron. Označimo li naboj gornjeg kvarka sa 𝑄_𝑢 i naboj donjeg kvarka sa 𝑄_𝑑, dobivamo sljedeće:

${\mbox{p}}({\mbox{u}}{\mbox{u}}{\mbox{d}})_{naboj}=Q_{u}+Q_{u}+Q_{d}=1$

${\mbox{n}}({\mbox{d}}{\mbox{d}}{\mbox{u}})_{naboj}=Q_{d}+Q_{d}+Q_{u}=0$

Ove dvije jednadžbe su jednostavne za riješiti, uzimajući u obzir da su naboji gornjeg i donjeg kvarka redom:

$Q_{u}=+{\frac {2}{3}}$

$Q_{d}=-{\frac {1}{3}}$

Treba samo napomenuti da je u gornjim jednadžbama korišten dogovor koja postavlja da naboj protona iznosi +1, dok u standardnim jedinicama približno iznosi 1,6∙10⁻¹⁹ C (kulon). Ovaj naboj protona naziva se još i elementarnim nabojem i označava se slovom 𝑒.

Do otkrića kvarkova, fizičari su smatrali da električni naboj može biti samo cjelobrojni višekratnik elementarnog naboja. Tako elektron ima električni naboj −𝑒, proton +𝑒, jezgra helija +2𝑒 i tako dalje. Kvarkovi, ovisno o vrsti, imaju samo dio elementarnog naboj: +2/3𝑒 ili −1/3𝑒. No, budući da kvarkovi ne postoje samostalno, već dolaze uvijek u kombinaciji dva ili tri kvarka, u prirodi nikad nije zapaženo postojanje čestice s nabojem manjim od jednog elementarnog naboja. Čestice sastavljene od 3 kvarka nazivamo barionima, dok mezonima nazivamo čestice koje se sastoje od parnog broja kvarkova i antikvarkova. U donjoj tablici, koja pokazuje način na koji su kvarkovi grupirani u generacije, svi kvarkovi u prvom retku imaju naboj +2/3, a u drugom retku −1/3. Ovo grupiranje kvarkova u generacije strogo prati poredak kojim su kvarkovi otkriveni.

Kvarkovska generacija

	Prva generacija	Druga generacija	Treća generacija
+𝟐/𝟑	Gornji (u)	Čarobni (c)	Vršni (t)
-1/𝟑	Donji (d)	Strani (s)	Dubinski (b)

Sva tvar (materija) u svemiru sastoji se od atoma, dakle od protona i neutrona, stoga su gornji i donji kvarkovi najviše zastupljeni kvarkovi u svemiru. Ostali kvarkovi su puno masivniji (masa kvarkova raste kako idemo od prve prema drugoj i trećoj generaciji) i puno rjeđi. Međutim, ranije u evoluciji svemira tvar je bila daleko energičnija, stoga su masivniji kvarkovi bili mnogo češći i imali su značajnu ulogu u reakcijama koje su se dogodile.

Od leptona najpoznatiji je elektron, stoga su leptoni najviše i proučavani budući da se svojstva elektrona zrcale u mionu i tauonu. Ova tri leptona imaju isti električni naboj i malo toga, osim mase, razlikuje elektron od miona i tauona. Jedina očita razlika je u tome što se mion i tauon mogu raspadati na druge čestice (iz prve i druge generacije leptona i njihove antičestice), dok je elektron stabilna čestica.

Donja tablica prikazuje grupiranje leptona u 3 generacije. Isto kao i kod kvarkova, masa leptona se povećava kako idemo prema višoj generaciji, barem što se tiče prvog retka u tablici.

Ostala 3 leptona se nazivaju neutrini jer su električki neutralni. Treba napomenuti da nije isto reći, na primjer, da je neutron bez naboja i da je neutron neutralan. Neutron se sastoji od 3 kvarka i svaki od njih nosi električni naboj koji se u konačnom zbroju poništi. Neutrini, za razliku od neutrona, su elementarne čestice. Kao takve nisu građene od drugih elementarnijih komponenti – oni su istinski neutralni. Stoga, da bi razlikovali takve čestice od onih kojima se naboji komponenti poništavaju, reći ćemo za neutrine (i slične čestice) da su neutralni, a za neutrone (i čestice slične njima) da su bez naboja. Prema standardnom modelu smatra se da su neutrini čestice bez mase, iako rezultati pokusa Super-Kamiokande (M. Koshiba) u Japanu daju naznaku da bi neutrini ipak mogli imati izuzetno malu, ali konačnu masu. Budući da su neutrini bez mase i neutralni, to im uskraćuje bilo kakvo fizičko postojanje. Međutim, neutrini imaju energiju i ta ih energija čini stvarnima.

Leptonska generacija

	Prva generacija	Druga generacija	Treća generacija
−𝟏	Elektron (𝑒−)	Mion (𝜇−)	Tauon (𝜏−)
𝟎	Elektronski neutrino (𝜈𝑒)	Mionski neutrino (𝜈𝜇)	Tau neutrino (𝜈𝜏)

Leptoni, za razliku od kvarkova, postoje u prirodi kao zasebne čestice. Donja tablica pokazuje gdje je sve moguće naći leptone u prirodi. Elektron je vrlo poznata čestica i njegova svojstva su uspostavljena u osnovama fizike. Njegov partner, elektronski neutrino, je manje poznat ali jednako čest u prirodi. U velikom broju ga proizvode neki radioaktivni procesi i središnje jezgre nuklearnih reaktora, dok je Sunce najveći proizvođač. Približno 10¹² elektronskih neutrina prođe kroz naše tijelo svake sekunde, većina nastala u nuklearnim reakcijama koje se odvijaju u jezgri Sunca. Budući da jako rijetko međudeluju s materijom veliki broj neutrina koji prođe kroz naše tijelo ne čini nikakvu štetu.

Leptoni druge generacije su rjeđi, ali ih se može naći u prirodi. Mione je lako proizvesti u laboratorijskim pokusima. Osim po masi, vrlo su slični elektronima. Zbog velike mase su nestabilni pa se raspadaju na elektrone i neutrina. Jednostavno se mogu promatrati u pokusima sa kozmičkim zrakama.

Prisutnost leptona u prirodi

Prva generacija	Druga generacija	Treća generacija
Elektron: - nalazi se u atomima; - važan u električnoj struji; - nastaje beta-raspadom.	Mion: - nastaje u velikom broju udarom kozmičkih zraka o gornje slojeve atmosfere.	Tauon: - do sada viđen samo u laboratorijima.
Elektronski neutrino: - nastaje beta-raspadom.	Mionski neutrino: - nastaje u nuklearnim reaktorima, - nastaje udarom kozmičkih zraka o gornje slojeve atmosfere.	Tau neutrino: - do sada viđen samo u laboratorijima.

Članovi treće generacije nisu viđeni u nikakvim prirodnim procesima, barem ne u ovom stadiju evolucije svemira. Mnogo ranije, kada je svemir bio topliji i kada su čestice imale daleko više energije, leptoni treće generacije su često nastajali u prirodnim reakcijama. To je međutim bilo prije nekoliko milijardi godina. Danas se tauon može promatrati samo u laboratorijskim pokusima, dok tau neutrino nije izravno viđen u pokusima već se njegovo prisustvo daje zaključiti iz određenih reakcija.