Temel etkileşimler veya Temel kuvvetler, fiziksel sistemlerde daha temel etkileşimlere indirgenemeyen etkileşimlerdir. Bilinen dört temel etkileşim vardır. Bunlar uzun mesafelerde etkileri olabilen kütleçekimsel, elektromanyetik etkileşimler ve atomaltı mesafelerde etkili olan güçlü nükleer ve zayıf nükleer etkileşimlerdir. Her biri bir alan dinamiği olarak anlaşılmalıdır. Bu dört etkileşim de matematiksel açıdan bir alan olarak modellenebilir. Kütleçekim, Einstein'ın genel görelilik kuramı tarafından tanımlanan uzay-zamanın eğriliğe atfedilirken diğer üçü ayrı kuantum alanlar olarak nitelendirilir ve etkileşimlerine Parçacık fiziğinin Standart Modeli tarafından tanımlanan temel parçacıklar aracılık eder.
Atom veya ögecik, bilinen evrendeki tüm maddenin kimyasal ve fiziksel niteliklerini taşıyan en küçük yapı taşıdır. Atom Yunancada "bölünemez" anlamına gelen "atomos"tan türemiştir. Atomus sözcüğünü ortaya atan ilk kişi MÖ 440'lı yıllarda yaşamış Demokritos'tur. Gözle görülmesi imkânsız, çok küçük bir parçacıktır ve sadece taramalı tünelleme mikroskobu vb. ile incelenebilir. Bir atomda, çekirdeği saran negatif yüklü bir elektron bulutu vardır. Çekirdek ise pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlardan oluşur. Atomdaki proton sayısı elektron sayısına eşit olduğunda atom elektriksel olarak yüksüzdür. Elektron ve proton sayıları eşit değilse bu parçacık iyon olarak adlandırılır. İyonlar oldukça kararsız yapılardır ve yüksek enerjilerinden kurtulmak için ortamdaki başka iyon ve atomlarla etkileşime girerler.
Elektron, eksi bir temel elektrik yüküne sahip bir atomaltı parçacıktır. Lepton parçacık ailesinin ilk nesline aittir ve bileşenleri ya da bilinen bir alt yapıları olmadığından genellikle temel parçacıklar olarak düşünülürler. Kütleleri, protonların yaklaşık olarak 1/1836'sı kadardır. Kuantum mekaniği özellikleri arasında, indirgenmiş Planck sabiti (ħ) biriminde ifade edilen, yarım tam sayı değerinde içsel bir açısal momentum (spin) vardır. Fermiyon olmasından ötürü, Pauli dışarlama ilkesi gereğince iki elektron aynı kuantum durumunda bulunamaz. Temel parçacıkların tamamı gibi hem parçacık hem dalga özelliklerini gösterir ve bu sayede diğer parçacıklarla çarpışabilir ya da kırınabilirler.
Nötron, sembolü n veya n⁰ olan, bir atomaltı ve nötr bir parçacıktır. Proton ile birlikte, atomun çekirdeğini meydana getirir. Bir yukarı ve iki aşağı kuark ve bunların arasındaki güçlü etkileşim sayesinde oluşur. Proton ve nötron yaklaşık olarak aynı kütleye sahiptir fakat nötron daha fazla kütleye sahiptir. Nötron ve protonun her ikisi nükleon olarak isimlendirilir. Nükleonların etkileşimleri ve özellikleri nükleer fizik tarafından açıklanır. Nötr hidrojen atomu dışında bütün atomların çekirdeklerinde nötron bulunur. Her atom farklı sayıda nötron bulundurabilir. Proton ve nötronlar, kuarklardan oluştukları için temel parçacık değildirler.
Kuark, bir tür temel parçacık ve maddenin temel bileşenlerinden biridir. Kuarklar, bir araya gelerek hadronlar olarak bilinen bileşik parçacıkları oluşturur. Bunların en kararlıları, atom çekirdeğinin bileşenleri proton ve nötrondur. Renk hapsi olarak bilinen olgudan ötürü kuarklar asla yalnız bir şekilde bulunmaz, yalnızca baryonlar ve mezonlar gibi hadronlar dahilinde bulunabilir. Bu sebeple kuarklar hakkında bilinenlerin çoğu hadronların gözlenmesi sonucunda elde edilmiştir.
Takyon, ışıktan hızlı giden farazi parçacıklardır. İlk tanımı Arnold Sommerfeld'e atfedilmişse de, aslında ilk olarak George Sudarshan ve Gerald Feinberg tarafından yazılmıştır. Çoğu fizikçi için fiziğin bilinen yasaları ile tutarlı değildir, çünkü ışıktan daha hızlı parçacıkların olamayacağı tahmin edilmektedir. Takyonlar, Albert Einstein'in ünlü Genel görelilik yasasındaki v2 /c2 ifadesindeki cismin hızı (v) ışık hızından (c) büyük olursa ne olur sorusunun cevabıdırlar. Bu nedenle takyon parçacıklarının kütleleri reel sayı ile değil karmaşık sayılar ile ifade edilir aynı zamanda v daima c den büyük olacağından, takyonlar için en yavaş hız ışık hızıdır. Ancak tam olarak ışık hızında da olamazlar çünkü ışık hızında olursalar v2/c2 = 1 olacağından bu ifade tanımsız olur. Bununla birlikte, negatif kare kütle alanlar genellikle, "takyonlar" olarak adlandırılır ve aslında modern fizikte önemli bir rol oynamaya başlamıştır. Potansiyel tutarlı teoriler, ışıktan daha hızlı parçacıkların Lorentz değişmezinin kırılmasına dahil olanlara izin verir böylece özel göreceliğin altında yatan simetriye, ışığın hızı bir bariyer değildir, Böylece gerçek dünya için sınır olan ışık hızı burada da değerini korur. Buradan çıkarılacak sonuç ise, takyonların varlığının fizik ve matematik kurallarına aykırı olmadığıdır. Bunu takyonların varlığına delil olarak gösterenler vardır. Aynı (v)>(c) değerlerinin zaman denklemi içinde yerine konulması sonucunda zaman kavramının takyonlar için tıpkı kütle gibi imajiner olduğunu gösterir. Zaman gerçek olmadığı içinde zamanın oku olan entropi artışı söz konusu olmaz ve bu nedenle takyonlar evreni gerçek evrenin aksine büzüşmezler tam tersine sanal kütleleri nedeniyle çekim etkisine girmediklerinden evreni gererler. Böylece, başlanılan noktaya geri dönülen bir küresel evren modeli yerine takyon evreni için kenarları olmayan bir sonsuz evren söz konusudur. Ayrıca takyonların hızı enerjileri azaldıkça artar. Bu nedenle radyasyon yaydıkları varsayıldığında, azalan enerjileri nedeniyle sürekli hızlanırlar ve nihayet sıfır enerji için sonsuz hıza ulaşırlar. Enerji azaldıkça hızları arttığından dolayı kuvvet denilen etki hareketle aynı yönde olduğunda takyonların hızını arttırmaz tam tersine yavaşlatır. Birçok fizikçinin nötrino ve teorik takyonların özellikleri arasındaki olası bağlantıyı anlamaya çalışmış olduğuna dikkat etmek önemlidir.
Karanlık madde, astrofizikte, elektromanyetik dalgalarla etkileşime girmeyen, varlığı yalnız diğer maddeler üzerindeki kütleçekimsel etkisi ile belirlenebilen varsayımsal maddelere denir. Karanlık maddelerin varlığını belirlemek için gök adaların döngüsel hızlarından, gök adaların diğer gök adalar içerisindeki yörüngesel hızlarından, geri planda yer alan maddelere uyguladığı kütleçekimsel mercekleme özelliğinden ve gök adaların içerisindeki sıcak gazların sıcaklık dağılımından yararlanılır. İncelemeler, gök adalarda, gök ada gruplarında ve Evren'de, görülebilen maddelerden çok daha fazla karanlık madde olduğunu göstermektedir. Karanlık maddelerin bileşenleri tamamen bilinmemekle birlikte, WIMP'ler, aksiyonlar, sıradan ve ağır nötrinolar, gezegenler ve sönmüş yıldızlarla birlikte verilen isim MACHO'lar ile ışıma yapmayan gaz bulutlarından oluşur.
Mezonlar, güçlü etkileşim ile bağlı bir kuark ve bir antikuarktan oluşan hadronik atomaltı parçacıklardır. Atomaltı parçacıklardan oluştuklarından mezonlar, kabaca bir femtometre kadarlık bir yarıçaplı fiziksel bir boyuta sahiptirler. Bütün mezonlar kararsızdırlar ve en uzun ömürlüsü mikrosaniyenin altında bir ömre sahiptir. Yüklü mezonların bozunmasıyla elektron ve nötrino oluşur. Yüksüz mezonların bozunmasıyla da fotonlar oluşur.
Plazma, gaz hâldeki maddelerin manyetik kutuplaştırmaya bağlı doğrusal noktalarda oluşan fiziksel ve kimyasal tepkimenin kontrollü etkileşim sürecine verilen genel ad. Daha kolay bir tanımla; atomun elektronlardan arınmış hâlidir.
Steven Weinberg Amerikalı teorik fizikçi. 1979'da Abdus Salam ve Sheldon Glashow ile birlikte zayıf etkileşim ile elektromanyetik etkileşimin birleştirilmesine ve temel parçacıklar arasındaki elektromanyetik etkileşime katkılarından dolayı Nobel Fizik Ödülüne layık görülmüştür
Yukarı kuark en hafif kuarktır, temel bir parçacıktır ve maddenin önemli bir bileşenidir. Aşağı kuarkla birlikte atom çekirdeğini meydana getiren proton ve nötronu oluşturur. Birinci nesil olarak sınıflandırılırlar. Elektrik yükü +2/3 e olup çıplak kütleleri 2,2+0,5
-0,4 MeV/c2 olarak ölçülmüştür. Bütün kuarklar gibi yukarı kuark da 1/2 spine sahip temel fermiyondur ve dört temel etkileşimin hepsinden etkilenir. Yukarı kuarkın antiparçacığı olan yukarı antikuark ile elektriksel yük işareti gibi birkaç özellikte farklılaşır.
Nötrino, ışık hızına yakın hıza sahip olan, elektriksel yükü sıfır olan ve maddelerin içinden neredeyse hiç etkileşmeden geçebilen temel parçacıklardandır. Bu özellikleri nötrinoların algılanmasını oldukça zorlaştırmaktadır. Nötrinoların çok küçük, ancak sıfır olmayan durgun kütleleri vardır. Yunan alfabesindeki ν (nü) ile gösterilir.
W ve Z bozonları, zayıf etkileşime aracılık eden temel parçacıklardır. Bu bozonların keşfi parçacık fiziğinin Standart Modeli için büyük bir başarının müjdecisi oldu.
Kuantum Alan Teorisi (METATEORİ); Klasik Birleşik Alan (KAT) Teorilerini, Özel Görekliliği (SRT), Kuantum mekaniği (KM) teorilerini tek bir teorik çerçeve altında toplayan bir üst teoridir.
Süperakışkanlık maddenin sıfır akmazlığa sahip bir akışkan gibi davrandığı hâlidir. Bu fenomen ilk olarak sıvı helyum ile keşfedildiyse de yalnızca sıvı helyum teorisinde değil aynı zamanda astrofizik, yüksek enerji fiziği ve kuantum kütleçekimi teorilerinde de uygulama alanına girmiştir. Bu fenomen Bose-Einstein yoğunlaşması ile bağıntılıdır ancak özdeş değildir: Bütün Bose-Einstein yoğuşukları süperakışkan olmadığı gibi bütün süperakışkanlar da Bose-Einstein yoğuşuğu değildir.
Preonlar parçacık fiziğinde, kuarklar ve leptonların altparçacıkları olan nokta parçacıklardır. Terim 1974’te, Jogesh Pati ve Muhammed Abdüsselam tarafından oluşturulmuştur. Preon modellerine olan ilgi, 1980’lerde zirve noktasına ulaşmıştır ancak parçacık fiziği Standart Model'i, fiziğin kendisini en başarılı şekilde tanımlamaya devam ettiğinden ve lepton ile kuark kompozitleri hakkında hiçbir deneysel veri bulunmadığından dolayı bu ilgi azalmıştır.
Tetrakuark, parçacık fiziğinde, dört valans kuarktan oluşan ve varlığı tahmin edilmesine karşın henüz kanıtlanamamış egzotik mezondur. Prensipte, bir tetrakuark durumu kuantum renk dinamiği içinde yer alabilmektedir.
Pentakuark, birbirlerine bağlı durumdaki dört kuark ile bir antikuarktan oluşan atomaltı parçacıktır. Kuarkların +1/3, antikuarkların ise - 1/3 baryon sayısına sahip olmalarından ötürü pentakuarkların toplam baryon sayısı 1'dir ve bu da pentakuarkların baryon olarak tanımlanmasını sağlar. Normal baryonların aksine üç değil de beş kuark bulundurmasından ötürü egzotik baryon olarak sınıflandırılır.
Ksi baryonları, birinci çeşni nesillerinden bir kuarka, daha yüksek çeşnili nesillerinden ise iki kuarka sahip, Ξ sembolüyle gösterilen hadron parçacığı ailesidir. Bu nedenlerden ötürü bu tip parçacıklar birer baryondur, toplam izospinleri 1/2'dir ve nötr olabildikleri gibi +2, +1 ya da -1 temel yüke sahip olabilirler. Yüklü Ksi baryonları ilk kez 1952'de, Manchester grubu tarafından gerçekleştirilen kozmik ışın deneyleri sırasında gözlemlenmiştir. Nötr Ksi baryonlarının ilk kez gözlemlenmesi ise 1959'da, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nda gerçekleştirildi. Kararsız durumları, bozunma zinciri sonucunda daha hafif parçacıklara bozunmaları sebebiyle geçmişte çağlayan parçacıklar olarak da anılmaktaydılar.
Omega baryonları, birinci çeşni nesillerinden (yukarı ve aşağı kuarklar) herhangi birini içermeyen, daha yüksek çeşnili nesillerinden (garip, tılsım ve alt kuarklar) üç kuarka sahip, Ω sembolüyle gösterilen hadron parçacığı ailesidir. Hadronlaşma için gereken güçlü etkileşim süresinin altında (5×10-25 s) ortalama yaşam süresine sahip olmaları nedeniyle üst kuark içeren bir omega baryonu gözlemlenmemiş ve gözlemlenmesi de beklenmemektedir. Bu nedenlerden ötürü bu tip parçacıklar birer baryondur, toplam izospinleri 0'dır ve nötr olabildikleri gibi +1 temel yüke sahip olabilirler. Üç garip kuarktan oluşan
Ω-
, 1964 yılında gözlemlenmiştir ve keşfedilen ilk omega baryonudur.