Kvanttihiukkaset

Kvanttihiukkanen on hiukkanen tai hiukkasen kaltainen tilallinen ilmiö, jota kuvataan kvanttimekaniikan ja kvanttikenttäteorian avulla. Monet kvanttihiukkaset ovat perustavia, kuten elektroni, fotoni, kvarkki ja neutrino, mutta joukossa on myös koostuneita tiloja, kuten protoneja ja neutronia. Kvanttihiukkaset ovat kenttien värähtelyjä, ja niiden ominaisuudet määräytyvät todennäköisyyksillä ja aaltofunktiolla. Mittaustulos on todennäköisyyspohjainen eikä deterministinen ennen mittausta.

Ominaisuudet: energian, momentin ja spinin arvot ovat kvantittuneita; hiukkaset kuuluvat joko Fermioneihin (puolet rajoittuva spini) tai Bosoneihin (kokonaislukuspin). Fermionit noudattavat Pauli-estoa, kun taas bosonit voivat olla samassa tilassa. Hiukkasen tila voidaan kuvailla aaltofunktiolla, ja järjestelmän tilat voivat olla superpositioita.

Ilmiöt: interferenssi ja diffraatio osoittavat aalto-ominaisuuksia; kvanttihiukkaset voivat tunneloitua potentiaalin läpi (tunneli-ilmiö); entanglement sitoo tiloja, jolloin kaukana toisistaan olevat kappaleet ovat korreloituneita.

Esimerkkejä: fotonit ja elektronit ovat yleisimpiä kvanttihiukkasia; kvarkit ja gluonit ovat perusosatekijöitä standardimallissa; neutrinoihin ja Higgsin bosoniin liittyvät ilmiöt ovat keskeisiä nykyfysiikassa. Condensed-matter-järjestelmissä kvanttihiukkasina toimivat muun muassa foni.

Tutkimus ja sovellukset: kvanttihiukkasia tutkitaan hiukkasfysiikassa, kvanttielektroniikassa ja kvanttiteknologiassa. Niitä tutkitaan kokeellisesti kiihdyttimillä, havaitsemistesteillä ja kvanttien informaatiojärjestelmissä, ja kvanttiteoriat mahdollistavat nyky- sekä tulevat teknologiset sovellukset.