Kurkistus alkeishiukkasiin

Sijaitsevatko kaikki alkeishiukkaset (joitakin bosoneja lukuun ottamatta) atomin sisällä? Ja mitkä niistä?

Alkeishiukkaset ovat hiukkasia, joilla ei tiettävästi ole sisäistä rakennetta. Alkeishiukkaset voidaan jakaa kolmeen ryhmään: leptoneihin, kvarkkeihin ja bosoneihin.

Nykytiedon mukaan kaikki aine koostuu kvarkeista ja leptoneista (12 kpl), jotka tunnetaan myös materiahiukkasina. Kuusi kvarkkia ovat nimeltään ylös, alas, lumo, outo, huippu ja pohja. Leptoneihin lajitellaan elektroni, myoni ja tau sekä niiden neutriinot. Jokaisella kvarkilla ja leptonilla on myös oma antihiukkanen, jolla on vastakkaismerkkinen sähkövaraus.

Bosoneja eli voimanvälittäjähiukkasia ovat fotoni eli valohiukkanen, gluoni sekä W- ja Z-bosonit. Bosonit välittävät vastaavasti kolmea perusvuorovaikutusta eli sähkömagneettista, vahvaa ja heikkoa vuorovaikutusta. Myös vastikään löydetty Higgsin bosoni kuuluu alkeishiukkasiin.

Atomi koostuu negatiivisesti varatusta elektronipilvestä sekä positiivisesti varatusta atomiytimestä. Atomiydin taas koostuu protoneista ja neutroneista. Protoneilla on positiivinen sähkövaraus ja neutronit ovat neutraalisti varattuja. Atomi pysyy kasassa sähkömagneettisen vuorovaikutuksen avulla, kun elektronipilvi ja atomiydin vetävät toisiaan puoleensa vastakkaisten sähkövaraustensa vuoksi.

Protonit ja neutronit esitetään usein melko yksinkertaisina kappaleina, mutta tosiasiassa protonin ja neutronin sisäiset rakenteet ovat paljon monimutkaisempia.

Yleensä sanotaan, että protoni muodostuu kahdesta ylös-kvarkista ja yhdestä alas-kvarkista, kun taas neutroni muodostuu kahdesta alas-kvarkista ja yhdestä ylös-kvarkista. Edellä mainittuja kvarkkeja, jotka määräävät protonin ja neutronin sähkövarauksen, kutsutaan valenssikvarkeiksi. Jos esimeriksi protonin valenssikvarkkien likimääräiset massat lasketaan yhteen, käy ilmi, että saatu tulos ei ole lähelläkään protonin mitattua massaa. Mistä loppuosa protonin massaan sitten tulee?

Valenssikvarkkien lisäksi protonien ja neutronien sisällä on gluoneja, jotka pitävät valenssikvarkit sidottuina toisiinsa vahvan vuorovaikutuksen avulla. Kun gluonit vuorovaikuttavat keskenään, niiden energia voi muuttua aineeksi kuuluisan yhtälön E = mc 2 mukaan. Tällöin syntyy “ylimääräisiä” kvarkki-antikvarkkipareja, joita kutsutaan merikvarkeiksi. Merikvarkit voivat olla muitakin kuin ylös- ja alas-kvarkkeja. Toisin sanoen, protonit ja neutronit sisältävät myös lumo-, outo- ja pohja-kvarkkeja sekä niiden antikvarkkeja!

Koska huippu-kvarkki on kovin painava, sen syntyminen on todella epätodennäköistä. Sama koskee myös painavia W- ja Z-bosoneita sekä Higgsin bosonia. Merikvarkkien olemassaolo ratkaisee myös protonien ja neutronien massamysteerin: suurin osa protonien ja neutronien massoista selittyy juurikin gluonien keskinäisellä vuorovaikutuksella.

Kaikki alkeishiukkaset eivät siis sijaitse atomin sisällä. Alkeishiukkasista elektronit, gluonit sekä lähes kaikki kvarkit (huippu-kvarkkia lukuunottamatta) ja niiden antikvarkit sijaitsevat atomin sisällä. Kaikkia alkeishiukkasia voidaan kuitenkin havaita atomien ulkopuolella, esimerkiksi protoni-protonitörmäyksissä, joissa protonien törmäysenergia muuttuu hiukkasiksi edellä mainitun kaavan mukaisesti.

Jaana Heikkilä
Fysiikan tutkimuslaitos (HIP), Helsingin yliopisto