Látka je tvořena atomy a molekulami, atomy a molekuly jsou tvořeny protony, elektrony a neutrony. Uvedené částice byly zpočátku považovány za nejmenší částice látky, proto byly nazvány elementárními částicemi. Postupem času bylo objeveno mnoho dalších částic, nejprve v kosmickém záření a později v urychlovačích. Fyzikové se snažili utřídit tyto částice do systému podobnému periodické soustavě prvků, a tak vznikl nový obor fyziky – fyzika částic.
Fyzika elementárních částic se zabývá studiem elementárních částic, zkoumá jejich vzájemné interakce a studuje zákonitosti přeměn částic.
5.1. Třídění částic
Částice můžeme třídit podle jejich základních fyzikálních charakteristik a vzájemného silového působení.
5.1.1. Třídění z pohledu kvantové fyziky
Z pohledu kvantové fyziky dělíme částice na bosony a fermiony. BOSONY mají celočíselný spin a FERMIONY mají poločíselné hodnoty spinu.
5.1.2. Třídění z pohledu fyziky částic
Částice dělíme do skupin, které se liší svým chováním při přeměnách, strukturou a dalšími vlastnostmi.
1. Leptony
LEPTONY jsou částice, které mezi sebou působí slabými jadernými silami a jsou to fermiony se spinovým číslem `1/2`. U leptonů nebyla zatím pozorována žádná vnitřní struktura.
Podle současných poznatků existuje 6 leptonů. Jedná se o elektron (e), mion (µ), tauon (τ), elektronové neutrino (νe), mionové neutrino (νµ) a tauonové neutrino (ντ). Náboj elektronu, mionu a tauonu je –e, neutrina jsou bez náboje.
2. Hadrony
HADRONY jsou částice, které mezi sebou působí silnými jadernými silami a mají vnitřní strukturu.
Hadrony se skládají z kvarků a dělíme je do dvou skupin, na mezony a baryony.
Mezony jsou hadrony, které můžeme zařadit mezi bosony, mají tedy celočíselný spin, a patří mezi ně například piony, kaony, a další částice. Jsou složeny z párů kvark-antikvark.
Baryony jsou hadrony s poločíselným spinem a řadíme je tedy do skupiny fermionů. Mezi baryony patří nukleony a hyperony. Jsou složeny ze tří kvarků.
REZONANCE jsou všechny částice, které spolu silně interagují a mají dobu života kratší než 10-20 s. Vznikají pouze při srážkách elementárních částic odpovídajících energií.
5.2. Částice a antičástice
Ke každé částici existuje antičástice, která je jejím „zrcadlovým obrazem“. Částice a antičástice mají stejnou hmotnost, stejný spin i střední dobu života. Mají však opačné znaménko elektrického náboje a opačný magnetický moment. Existenci antičástic předpověděl již v roce 1928 britský fyzik P. A. M. Dirac, který řešil rovnice týkající se pohybu elektronu, a vyšla mu dvě řešení. Jedno odpovídalo elektronu a druhé částici stejných vlastností, ale opačného znaménka. Poprvé se tak objevila teorie o existenci pozitronu jako antičástice elektronu.
Pozitron byl objeven v roce 1932 v kosmickém záření. Za jeho objevitele je považován Carl David Anderson, který za tento svůj objev získal v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku.
Antiproton je další antičástice objevená až v roce 1955 Emiliem Segrém a Owenem Chamberlainem.
Postupně se ukázalo, že každá částice má svoji antičástici.
Při srážkách částice s antičásticí dochází k tzv. anihilaci částic a vzniku elektromagnetického vlnění. Částice a antičástice se tedy přemění na fotony.
`e^+ + e^- \rarr γ + γ `
Mnoho lidí začátkem 20. století věřilo, že ve vesmíru vedle sebe existují hmota a antihmota. Ze současných pozorování ale víme, že ve vesmíru žádná antihmota není. Vyskytuje se zde pouze hmota. Vyskytují se zde antičástice, ale nikdy nebyl zaznamenán jediný antiatom. Aby mohla vzniknout hmota z částic, muselo dojít již při vzniku vesmíru k porušení rovnováhy mezi částicemi a antičásticemi. Toto porušení rovnováhy bylo 109 antičástic:109 + 1 částic. Antičástice s částicemi anihilovaly a částice, které byly navíc, vytvořily prvotní hmotu.
5.3. Urychlovače částic
Ke studiu částic a jejich přeměn potřebuje jaderná fyzika rychle letící částice. Tedy takové, které mají vysoké hodnoty energií. K dodání energie částicím slouží zařízení, které dostaly název urychlovače i proto, že při zvýšení energie částice se zvětšuje její rychlost. Z konstrukčního hlediska dělíme urychlovače na lineární a kruhové.
V urychlovačích se využívá silového působení elektrického nebo elektromagnetického pole na nabitou částici.
Výzkum v oblasti jaderné fyziky je velmi nákladný, proto už v roce 1949 navrhl Louis de Broglie , aby byla vytvořena společná evropská vědecká laboratoř. Toto zařízení dostalo název CERN podle počátečních písmen Evropské rady pro jaderný výzkum (Conseil Européen pour la Recherche Neucléaire) a bylo postaveno nedaleko Ženevy. Zatímco ostatní laboratoře na světě pracovaly s elektrony, v CERNu se pracovalo s protony. V roce 1971 byl uveden do provozu první proton-protonový collider (srážeč) a v roce 1976 začal v CERNu pracovat obří urychlovač Super Proton Synchrotron. Je to také první urychlovač, jehož tunel prochází přes hranici mezi Švýcarskem a Francií. V srpnu 1989 začal pracovat Large Electron – Positron Collider.
Mezi úspěšné objevy v CERNu lze zařadit objev elektronového, tauonového a mionového neutrina, a objev částic, které zprostředkovávají slabou interakci, bosonů. V roce 1995 byl poprvé vytvořen atom antivodíku.
Mezi úspěšné objevy v CERNu lze zařadit objev elektronového, tauonového a mionového neutrina, a objev částic, které zprostředkovávají slabou interakci, bosonů. V roce 1995 byl poprvé vytvořen atom antivodíku.
Zjistilo se, že při srážkách částic v urychlovačích je stejná pravděpodobnost vzniku částice i antičástice. Protože je však ve vesmíru nadbytek částic, tak každá antičástice, která vznikne, téměř okamžitě anihiluje s částicí a vzniká energie. Zároveň však bylo zjištěno, že antičástice můžeme zpomalit a využívat je v medicíně:
- v radioterapii, což je metoda používaná k léčení nádorů pomocí protonů a antiprotonů. Metoda je založena na tom, že se do těla vpraví dostatek protonů a antiprotonů, které mají takovou rychlost, aby se zastavily v místě nádoru. Zde anihilují a uvolní při tom energii, která nádor zničí.
- v pozitronové emisní terapii – jedná se o zobrazovací techniku orgánů pacienta. Do těla pacienta se vpraví látka, která emituje pozitrony, ty v těle pacienta anihilují s elektrony a vzniká energie, kterou zachytí detektory umístěné kolem těla pacienta.
5.4. Na závěr … historický vývoj ve fyzice elementárních částic
| 1897 | objev elektronu při studiu katodového záření (J. J. Thomson) |
| 1919 | objev protonu při bombardování zlaté folie částicemi alfa (E. Rutherford) |
| 1930 | sestaven první funkční cyklotron (Ernest Orlando Lawrence) |
| 1932 | objev neutronu vznikajícího jako produkt jaderné reakce beryllia s heliem (J. Chadwick) |
| 1932 | objev pozitronu při studiu kosmického záření v mlžné komoře (C. Anderson) |
| 1937 | objev mionu při studiu kosmického záření (C. Anderson, S. Neddermayer) |
| 1943 | objeven kaon |
| 1947 | objeven pion (C. Powel) |
| 1956 | objeveno neutrino (F. Reines) |
| 1964 | objev kvarků (Murray Gell-Mann) |
| 1967 | vytvořena a navržena elektroslabá interakce (S. Weinberg, A. Salam) teorie spojující elektromagnetickou a slabou jadernou interakci |
| 1973 | zformulována kvantová teorie pole popisující silnou jadernou interakci |
| 1974 | poprvé použit pojem Standardní model (John Iliopoulos) = přehledné rozdělení a klasifikace elementárních částic a jejich interakcí |
| 1979 | objeven gluon (urychlovač DESY v Hamburku), jedná se o elementární částici zprostředkující silnou interakci mezi kvarky, předpovězena v roce 1962 (M. G. Mann) |
| 1995 | objeven top kvark |
| 10.9.2008 | spuštěn velký kruhový hadronový urychlovač s obvodem 27 km umístěn 100 m pod povrchem Země LHC v CERNu |
| červenec 2012 | objeven Higgsův boson (na LHC v CERNu) - elementární částice ve Standardním modelu předpovězená v roce 1964 Peterem Higgsem |