Hiukkasen outoa
8.5.2012 | Miro Ruopsa
Aikoinaan luultiin, että atomit ovat pienimpiä aineen rakenneosia. Tämähän on osoitettu kuitenkin vääräksi kauan aikaa sitten. Mistä kaikki sitten koostuu ja miksi ovatkin nykyään perimmäiset kysymykset.
Atomi koostuu ytimestä jota kiertää elektronipilvi. Elektronipilvi koostuu yhdestä tai useammasta elektronista. Jokainen näistä elektroneista on alkeishiukkanen jota ei voida pilkkoa pienemmäksi. Atomiydin toisaalta koostuu protoneista ja neutroneista, jotka eivät kuitenkaan ole alkeishiukkasia.
Protoneilla on positiivinen varaus ja neutroni on varaukseton eli neutraali hiukkanen. Protonit pystyvät kasautumaan yhteen toistensa ja neutronien kanssa vahvan ydinvoiman avulla. Kun protoni leikataan osiin, huomataan, että se koostuu kolmesta kvarkista. Tehdessä sama neutronille, löydetään taas kolme kvarkkia. Kvarkkien uskotaan olevan alkeishiukkasia aivan kuten elektronitkin.
Kvarkkeja on kahta lajia ja näitä kutsutaan ylös- ja alas -kvarkeiksi. Ylös-kvarkin varaus on 2/3 alkeisvarausta ja alas-kvarkin -1/3 alkeisvarausta. Protoni koostuu kahdesta ylös-kvarkista ja yhdestä alas-kvarkista, joten sen kokonaisvaraus on 1 alkeisvaraus. Neutroni koostuu kahdesta alas-kvarkista ja yhdestä ylös-kvarkista joten sen kokonaisvaraus on 0 alkeisvarausta eli se on varaukseton.
Kaiken kaikkiaan koostumme siis ylös- ja alas -kvarkeista sekä elektroneista. Näiden lisäksi tarvitaan vielä neutriinot. Neutriinot ova lyhykäisyydessään varauksettomia ja lähes massattomia huonosti vuorovaikuttavia alkeishiukkasia joita vapautuu esimerkiksi ydinreaktioissa.
Jos tässä olisi koko totuus, niin hommahan olisi varsin yksinkertainen. Todellisuus on kuitenkin paljon kummallisempi asiaa tarkasti tutkittaessa. Suurienergisissä törmäyksissä – esimerkiksi protoneja törmäyttäessä – syntyy uusia eksoottisia hiukkasia. Nämä hiukkaset syntyvät protonien liike-energiasta Einsteinin kuuluisan E=mc^2 kaavan mukaisesti. Eli kaikessa yksinkertaisuudessaan energia muuttuu havaittavaksi massaksi.
Käy ilmi, että joudumme ottamaan mukaan kaksi uutta alkeishiukkasperhettä. Toiseen kuuluu lumo, jonka varaus on 2/3 alkeisvarausta ja outo, jolla varaus on -1/3 alkeisvarausta. Näiden lisäksi tähän perheeseen kuuluu elektronia vastaava myoni ja elektronin neutriinoa vastaava myonin neutriino. Vastaavasti toiseen kuuluu huippu, pohja, tau ja taun neutriino.
On siis kolme hiukkasperhettä, joista käytännössä vain ensimmäisenä mainituista me koostumme. Kaksi jälkeenpäin mainittua hiukkasperhettä tulevat ilmi suurienergisissä törmäyksissä, mutta useimmiten näiden elinikä on varsin lyhyt ja ne hajoavat muiksi partikkeleiksi. Se mikä tekee asiasta vielä oudompaa on, että hiukkasten massat ovat aivan kummallisia toistensa suhteen. Esimerkiksi taun massa on n. 3500 kertaa suurempi kuin elektronin. Miksi ihmeessä? Miksi yleensäkään on kolme hiukkasperhettä? Miksi yksi ei riittäisi? Tai jos luonto haluaa niitä välttämättä enemmän kuin yhden, niin miksi ei vaikka äärettömästi?
Kysymykset kuten edellä tuntuvat varmasti hieman filosofisilta. Joka tapauksessa täytyy muistaa, että fysiikka on edennyt hitaissa jaksoissa vuosien varrella. Ensin fysiikan mullisti Newton ja sitten Maxwell ja sitten Bohr ja Einstein. Muitakin suuria nimiä on, mutta nämä varmasti moni tunnistaa edes jotenkin.
Jossain vaiheessa tulee kuitenkin vastaan seinä jolloin emme yksinkertaisesti voi ymmärtää luontoa enää paremmin. Odotellaan nyt kuitenkin ja yritetään edes ymmärtää eikä luovuteta liian aikaisin.
Ei kommentteja artikkelille “Hiukkasen outoa”
