Particulele elementare si interactiunile dintre acestea

Astazi, oamenii de stiinta au descoperit ca materia este constituita din cateva “caramizi” fundamentale. “Fundamental” este aici cuvantul cheie. Adica, prin “caramizi fundamentale” ne referim la obiecte simple si care nu sunt alcatuite din altele mai mici.

Chiar din cele mai vechi timpuri, oamenii au organizat lumea din jurul lor in cateva elemente fundamentale, precum pamantul, apa, aerul si focul. Astazi stim ca lumea este mai mult decat pamant, apa, aer si foc.

In anul 1900, oamenii credeau ca atomii sunt niste bile permeabile cu putina incarcatura electrica si erau considerati ca fiind cele mai mici unitati de materie. Au realizat ca pot organiza atomii in grupuri care au proprietati chimice similare (precum in tabelul periodic al elementelor). Acest lucru a indicat ca atomii sunt alcatuiti din alte particule mai mici, care in diferite combinatii determina proprietatile chimice ale atomului.

Termenul “atom” provine din limba greaca, insemnand “indivizibil”, fiind folosit pentru a descrie cea mai mica parte dintr-o substanta, desi astazi stim ca si atomul este alcatuit din alte particule mai mici.

Atomul nucleului era considerat fundamental intr-o vreme… Era mic, solid, dens si parea sa nu fie compus din altceva mai mic. Asta pana s-a descoperit ca si el la randul lui, era compus din protoni, ce erau incarcati cu sarcina pozitiva, si neutroni. (fara sarcina). Protonii si neutronii erau acum particulele fundamentale. Au fost, cel putin pana cand s-a descoperit ca protonii si neutronii sunt compusi din alte particule mai mici, denumite cuarci. Din cate stim astazi, cuarcii sunt precum niste puncte in geometrie. Nu sunt compuse din alte particule mai mici.

Dupa multe experimente, oamenii de stiinta suspecteaza ca electronul si cuarcii (precum si alte particule despre care vom vorbi mai tarziu), sunt particule fundamentale.

Fizicienii cauta in permanenta noi particule. Atunci cand le gasesc, le grupeaza si incearca sa gaseasca sabloane care sa ne spuna cum acestea interactioneaza intre ele.

Pana astazi, s-au descoperit peste 200 de particule (majoritatea nu sunt particule fundamentale). Pentru a tine evidenta acestor particule, ele au fost denumite cu litere din greaca si din alfabetul roman.

Fizicienii au dezvoltat o teorie denumita “Modelul Standard” ce reprezinta consensul actual asupra constituentilor de baza ai materiei si a fortelor fundamentale care descriu interactiunile dintre acestia. Modelul Standard este o teorie simpla si cuprinzatoare care explica sute de particule si interactiunea complexa dintre ele doar cu 6 cuarci, 6 leptoni  si particule purtatoare de sarcina precum fotonul. Despre toate aceste particule vom vorbi mai tarziu.

Modelul Standard este o teorie foarte buna. Experimentele au dovedit acuratetea predictiilor cu o precizie incredibila. Desi toate particulele prezise de aceasta teorie au fost descoperite, ea nu explica totul. De exemplu, gravitatia nu este inclusa in Modelul Standard.

In fizica particulelor, o particula elementara este o particula despre care nu se cunoaste daca are o substructura, adica daca aceasta este formata din particule mai mici. Daca particula nu are nicio substructura, atunci este una dintre unitatile de baza ale Universului. In Modelul Standard, particulele elementare sunt fermionii si bosonii. Pe langa particulele elementare, exista si particule compuse, precum hadronii. Hadronii (mezonii sau barionii precum protonul sau neutronul) sau chiar intreg atomul (“atom” din limba greaca, insemna ca nu se poate divide), erau in trecut priviti ca cele mai elementare particule.

Potrivit Modelului Standard, toate particulele elementare sunt fie bosoni, fie fermioni (depinzand de spinul lor). Spinul este un moment cinetic propriu al unei particule elementare. Fermionii reprezinta constituentii materiei (cu spinul 1/2, 3/2, 5/2 etc), iar bosonii sunt purtatori de sarcina (cu spinul 0, 1, 2…)

Una dintre cele mai remarcabile descoperiri asociate cu fizica cuantica, este faptul ca particulele elementare pot avea un impuls unghiular nenul. Studiile teoretice si experimentale au aratat ca spinul acestor particule nu poate fi explicat prin postularea ideii ca ele sunt compuse din particule si mai mici care se rotesc in jurul unui centru comun de masa; din cate se stie, aceste particule elementare sunt cu adevarat punctiforme.

Fermioni

Fermionii reprezinta constituentii materiei si sunt impartiti in cuarci si leptoni.

Tot ceea ce exista, incepand cu galaxiile pana la munti si moleculecule, sunt alcatuite din cuarci si leptoni. Cuarcii se comporta diferit fata de leptoni, si pentru fiecare particula de materie exista si o particula corespunzatoare de antimaterie.

Antiparticulele arata si se comporta la fel ca si particula sa corespunzatoare, cu exceptia ca cele doua au incarcaturi electrice opuse. De exemplu, un proton are o incarcatura pozitiva, iar antiprotonul una negativa. Gravitatia afecteaza materia si antimateria in acelasi mod, deoarece gravitatia nu tine cont de polarizarea sa, iar masa particulei este egala cu cea a antiparticulei sale. Iar atunci cand particula de materie se intalneste cu cea de antimaterie, cele doua se anihileaza rezultand energie pura.

Ideea antimateriei este ciudata deoarece tot ceea ce alcatuiteste Universul este defapt materie. Iar antimateria este exact opusul a tot ceea ce stim despre Univers.

Descoperirea antimateriei a dat nastere multor intrebari. De exemplu, daca antimateria si materia sunt egale dar opuse, atunci de ce exista atat de multa materie in Univers? Ei bine… nu stim. Este o intrebare la care fizicienii incearca sa-i gaseasca raspunsul.

Cuarcii sunt doar un tip de particula ce alcatuiesc materia. In mare parte, materia care o observam in jurul nostru este alcatuita din protoni si neutroni, ce sunt alcatuiti la randul lor din cuarci.

1. Cuarci

Cuarcul este o particula elementara care interactioneaza prin forta nucleara puternica si care constituie materia “grea” (numita si barionica). Ipoteza existentei cuarcului a fost propusa de teoreticiannul Murray Gell-Mann in 1964. Modelul Standard contine 6 arome de cuarci, numiti “up”, “down”,  “charm”, “strange”, “top” si “bottom”.

Masele lor cresc de la valori mici, cum este in cazul cuarcului up (doar o a mia parte din masa protonului) pana la foarte greu (cuarcul top) fiind tot la fel de masiv ca un atom de aur, ceea ce este remarcabil pentru orice particula elementara.

2. Leptoni

Leptonii sunt particule de spin ½ (fiind un fermion) care nu se supune fortei nucleare tari. Acestia formeaza o familie separata de particulele elementare, care este distincta fata de familia cuarc-urilor.

Cel mai cunoscut lepton dintre toti este electronul, ce guverneaza aproape toata chimia atomului.

– Electronul are o sarcina negativa si participa la interactiunile electromagnetice, masa acestuia fiind de aproximativ 1/1836 din cea a protonului. Impreuna cu nucleul atomic, electronii formeaza atomul. Interactiunea lor cu nucleii adiacenti este principala cauza a legaturii chimice. Antiparticula electronului este pozitronul.

Un alt lepton este electronul neutrino, o particula elementara ce nu are o sarcina electrica neta. Impreuna, alaturi de electron, formeaza prima generatie de leptoni.

– Muonul este un alt lepton, similar cu electronul cu o sarcina electrica negativa (-1) si spin ½. La fel ca si in cazul celorlalti leptoni, muonul se considera ca nu este format din alte substructuri mai mici.

– Muonul neutrino, asemenea electronului neutrino, nu are o sarcina electrica neta. Impreuna cu muonul, formeaza cea de-a doua generatie de leptoni.

– Particula tau (numita uneori si tauon) este o alta particula elementara similara electronului, cu o sarcina electrica negativa. Asemenea tuturor particulelor elementare, tau are o antiparticula cu sarcina opusa, dar egala in masa si spin, numita antitau.

– Tau neutrino, sau tauon neutrino, este un alt lepton, fara sarcina electrica neta. Impreuna cu particula tau formeaza cea de-a treia generatie de leptoni.

Bosoni

Bosonii sunt responsabili de interactiunea nucleara slaba, numita si interactiunea slaba, care la randul ei este responsabila pentru radioactivitate si care actioneaza asupra tuturor particulelor de materie cu spin ½ (de exemplu protonii sau neutronii), dar nu actioneaza asupra particulelor cu spin 0, 1 sau 2 (cum sunt fotonii sau gravitonii).

In Modelul Standard, exista mai multe tipuri de bosoni: gluonul, bosonii W si Z, si fotonii. Exista si alti bosoni, precum cel mai recent descoperit, bosonul Higgs, sau gravitonul. Inca nu au fost inclusi in Modelul Standard, gravitonul fiind inca un boson teoretic, iar asa numitul boson Higgs descoperit la CERN in anul 2012 nu prezinta toate proprietatile care erau prezise.

– Gluonul intermediaza interactiile tari dintre quarkuri. Are masa de repaus nula, spinul 1 si este neutra din punct de vedere electric.

– Bosonii W si Z (impreuna cunoscuti ca bosonii slabi) sunt particulele elementare ce intermediaza interactiunea slaba. Bosonii W au sarcina electrica, spin intreg (fiind bosoni) si sunt responsabili de interactiunea nucleara slaba. Exista doua tipuri de bosoni W, bosoni W+ si bosoni W-, diferentiati prin sarcina electrica +1 respectiv -1. Cele doua tipuri de bosoni W sunt unul antiparticula celuilalt.

– Bosonii Z sunt similari cu bosonii W, doar ca acestia nu au sarcina electrica. Impreuna cu bosonii W, bosonii Z sunt responsabili de interactiunea nucleara slaba.

Ultimul boson este fotonul, numit si cuanta de lumina. Fotonul este o particula elementara responsabila pentru toate fenomenele electromagnetice. Toate formele de lumina (nu numai cea vizibila) se compun din fotoni. Masa de repaus a acestuia este zero, astlfel, in absenta oricarei interactiuni viteza fotonului (viteza luminii, notata cu c) este aceeasi in toate sistemele de referinta.

Particulele compozite, precum hadronii, sunt compuse din doua sau mai multe particule elementare.

Hadronii sunt impartiti in doua mari familii: barioni si mezoni. Toti sunt constituiti din mai multi cuarci tinuti impreuna de forta nucleara tare (asa cum atomii si moleculele sunt tinuti impreuna de forta electromagnetica).

Precum elefantii, cuarcii exista doar in grupuri de cuarci si niciodata singuri. Particulele compuse din cuarci sunt numite hadroni.

Desi cuarcii au sarcini electrice fractionale, ei se combina in asa fel incat hadronul sa aiba o sarcina electrica intreaga.

Exista doua clase de hadroni: barioni si mezoni.

1. Barioni

Barionii sunt hadroni compusi din 3 cuarci si sunt alcatuiti din mai multe tipuri de particule.

– Nucleonii sunt particulele care alcatuiesc nucleul atomic. Fiecare nucleu contine unul sau mai multi nucleoni si fiecare atom contine un grup de nucleoni inconjurati de unul sau mai multi electroni. Nucleonii sunt impartiti in doua tipuri: neutroni si protoni.

– Neutronul este particula din nucleul atomic cu masa neutra din punct de vedere electric. Numarul acestora dintr-un atom poate fi diferit pentru nucleele atomice ale aceluiasi segment. Neutronii pot fi gasiti in miscare si in afara atomului. Patrunderea neutronilor in nuclee are loc cu o probabilitate ridicata, mai ales atunci cand energia lor cinetica este scazuta iar acest fenomen poate afecta stabilitatea atomului. La trecerea neutronilor prin materie sunt posibile trei tipuri de interactii: imprastiere elastica, imprastiere inelastica si captura neutronica. Atunci cand un neutron se dezintegreaza, acesta se separa intr-un proton, un electron si un neutrin.

– Protonul este particula subatomica din nucleul unui atom, cu masa si cu sarcina electrica pozitiva. Numarul de protoni stabileste pozitia elementului in sistemul periodic al lui Mendeleev. Numarul de Protoni = Numarul de sarcini nucleare = Numarul de ordine. Deoarece toti protonii unui atom au sarcina pozitiva si se afla toti in nucleu, apare intrebarea de ce nu se resping, fenomen fizic obisnuit la particulele cu acelasi semn. Raspunsul este dat de mecanica cuantica: apar fortele nucleare tari, transmise de mezoni.

– Barionii delta au sarcini electrice +2, +1, 0 si -1. Spre deosebire de neutroni si protoni (care au spinul 1/2), barionii au spinul 3/2.

– Barionii Lambda  au sarcina electrica +1 sau neutra. Contin diferiti cuarci: unul “up”, unul “down” si un al treilea care poate fi fie “strange”, sau “charm”.

– Barionii Sigma au sarcina electrica +2, +1, -1 sau neutra. Sunt compusi din trei cuarci: doi “up”/sau “down” si un al treilea, ce poate fi “strange”, “charm”, “bottom” sau “up”.

– Barionii Xi au sarcina electrica +2, +1, -1 sau neutra. Sunt compusi din trei cuarci: unul “up” sau “down” si alti doi cuarci grei. Barionii Xi sunt foarte instabili si se descompun rapid in alte particule mai usoare.

– Barionii Omega au sarcina electrica +2, +1, -1 sau neutra.

2. Mezoni

Mezonii contin un cuarc si un anticuarc si sunt impartiti in mai multe tipuri.

– Pionii sunt cei mai usori mezoni si joaca un rol important in explicarea proprietatilor energiei joase ale fortei nucleare tari. Pionii sunt mezoni cu spin 0 si reprezinta prima generatie de cuarci.

– Mezonul rho – dupa pioni si kaoni, mezonii rho sunt cei mai usori avant o masa de 770 MeV pentru toate cele trei stari ale sale.

– Mezonul eta este alcatuit dintr-o mixtura de cuarci “up”, “down” si “strange” precum si anticuarcii lor.

– Mezonul phi este format dintr-un cuarc „strange” si un anticuarc „strange” si are o masa de  1,019.445±0.020 MeV/c2.

– Mezonul J/Psi sau psimezonul, este compus dintr-un cuarc “charm” si un anticuarc “charm”.

– Mezonul Upsilon este format dintr-un cuarc “bottom” si antiparticula sa. A fost descoperit de Leon Lederman, la Fermilab in anul 1977. A fost prima particula descoperita ce continea un cuarc “bottom”.

– Kaonul contine un cuarc “strange” sau un anticuarc, impreuna cu un cuarc anticuarc “up” sau “down”. Kaonul a jucat un rol impotrant in stabilirea Modelului Standard, ducand la intelegerea incalcarii simetriei – fenomenul care a generat asimetria dintre materie si anti-materie in Univers.

– Mezonul B este compus dintr-un anticuarc “bottom” si un altul fie “up”, “down”, “strange” sau “charm”.

– Mezonul D este cea mai usoara particula ce contine cuarci “charm” si sunt studiati in special pentru a intelege interactiunea slaba.

Acum ca avem idee din ce este compusa lumea, cuarci, leptoni etc, asadar, ce o tine laolalta?

Universul, asa cum il stim, exista deoarece particulele fundamentale interactioneaza intre ele. Aceste interactiuni includ forte de atractie si de respingere, decadere si anihilare.

Exista patru interactiuni fundamentale intre particule, iar toate fortele din Univers pot fi atribuite acestora. Adica, orice forta cunoscuta precum frecarea, magnetismului, gravitatia, dezintegrarea nucleara etc, toate sunt cauzate de una dintre aceste 4 interactiuni fundamentale.

Care este diferenta intre o forta si o interactiune? Este greu de facut o deosebire intre cele doua. Strict vorbind, o forta este efectul asupra unei particule in prezenta unei altei particule. Interactiunile unei particule includ toate fortele care o afecteaza, dar include deasemenea si decaderea sau anihilarea prin care respectiva particula va trece. Este folosit atat cuvantul “forta” cat si “interactiune”, insa mai corect spus este “interactiune” deoarece particulele ce poarta aceste interactiuni sunt particule purtatoare de sarcina / forta.

Cum interactioneaza particulele?

Aceasta este o problema care i-a bantuit pe fizicieni o multa vreme. Problema este ca lucrurile interactioneaza unele cu altele fara sa se atinga. Cum simte un magnet prezenta unui alt magnet si cum se atrag sau se resping acestia? Cum atrage Soarele Pamantul? Stim ca raspunsul la aceste intrebari este “magnetismul” sau “gravitatia” dar ce sunt aceste forte?

La nivel fundamental, o forta nu este doar ceva ce se intampla unor particule. Este ceva ce este trecut de la o particula la alta.

Interactiunea tare si interactiunea slaba

Interactiunea tare mai este numita si forta nucleara tare, fiind una din cele patru interactiuni fundamentale naturale cunoscute. Forta nucleara tare este cea mai puternica din aceste patru interactiuni, fiind de 100 de ori mai puternica decat cea electromagnetica, de 106 ori mai puternica de cat forta slaba si de 1039 de ori decat forta gravitationala.

Forta nucleara tare face ca protonii si neutronii sa ramana integri si stabili.

Forta nucleara slaba, sau Interactiunea slaba, este cauzata de schimbul de bosoni W si Z, care reprezinta cuantele campului fortei slabe. Cel mai cunoscut efect este cel de dezintegrare beta precum si majoritatea proceselor de radioactivitate. Intensitatea fortei nucleare slabe este de 1013 ori mai slaba decat a fortei tari si are o raza de actiune foarte scurta, aproximativ egala cu diametrul nucleului atomic.

Electromagnetismul

Electromagnetismul este una din cele 4 forte fundamentale. Din electromagnetism fac parte electrostatica, care se ocupa cu studiul sarcinilor electrice aflate in repaus si al campurilor lor, electrodinamica, care se ocupa cu studiul sarcinilor aflate in miscare si campurile lor, si magnetismul, studiul campului magnetic.

Fenomenele electrice si magnetice au fost cunoscute de mii de ani, insa nu s-au realizat experimente asupra lor.

In anul 1785, fizicianul Charles Augustin de Columb a confirmat printr-un experiment ca sarcinile electrice se atrag sau se resping pe baza unei legi similare cu cea a gravitatiei.

Prima legatura intre magnetism si electricitate a fost facuta datorita lui Hanz Christian Oersted in anul 1819, descoperind ca un ac magnetic poate fi deviat cu ajutorul unui conductor sub tensiune electrica. Mai apoi, Andre Ampere va demonstra ca doi conductori purtatori de curent electric se vor comporta ca si cei doi poli ai unui magnet.

Ba mai mult, in 1831, Michael Farady a descoperit ca un curent electric poate fi indus intr-un fir si fara conectarea acestuia la o baterie, prin miscarea unui magnet sau prin plasarea altui conductor cu un curent variabil in vecinatatea conductorului in care se doreste generat curentul.

Studiile au continuat, iar in 1887 fizicianul Heinrich Rudolf Hertz a reusit sa genereze un nou tip de campuri magnetice, care se propaga cu viteza luminii, sub forma undelor electromagnetice. Astfel, s-a pus baza transmisiilor de radio, televiziune si a altor forme de telecomunicatii.

Campurile magnetice si electrice ale acestor unde sunt similare cu cele ale unei sfori lungi, intinse, al carei capat este miscat foarte repede in sus si in jos, unda fiind transmisa pana in celalalt capat.

Gravitatia

Gravitatia nu este chiar asa de simpla precum pare, o forta care atrage corpurile unul spre celalalt, ci este efectul unei deformari a spatiului si al timpului. Gravitatia este descrisa de teoria relativitatii generalizate la scara macroscopica, insa se poate aplica cu mare exactitate si legea atractiei universale a lui Newton, din mecanica clasica. Legea atractiei universale spune ca oricare doua corpuri actioneaza unul asupra celuilalt cu o forta de atractie direct proportionala cu masele celor doua corpuri si invers proportionale cu patratul distantei dintre ele.

Ceea ce nu se stie deocamdata, este natura si motivul existentei acestei forte, numita forta gravitationala. Desi este observat pretutindeni, fenomenul nu este elucidat. Valoarea greutatii unui corp este direct proportionala cu masa lui si este orientata spre centrul Pamantului. Este vorba de aceeasi forta ce ne tine pe noi pe Pamant, de aceeasi forta ce face ca Luna sa orbiteze in jurul Pamantului, sau a Pamantului sa orbiteze in jurul Soarelui. Coeficientul de proportionalitate se numeste acceleratie gravitationala si este egal cu acceleratia unui corp care cade liber in campul gravitational al Pamantului.

Datorita gravitatiei, noi existam astazi. Reprezinta forta care a dus la aparitia tuturor planetelor si satelitilor naturali, prin atractia reciproca dintre particulele de materie care se roteau in jurul unei stele. Chiar si in cadrul unei galaxii, stelele si sistemele stelare sunt mentinute impreuna datorita gravitatiei, iar evolutia intregului Univers este la randul ei dictata de fortele de gravitatie dintre particulele de materie existente.

Dincolo de Modelul Standard

Modelul Standard raspunde la multe intrebari despre structura si stabilitatea materiei cu cele sase tipuri de cuarci, sase tipuri de leptoni si patru forte. Dar Modelul Standard nu este complet; inca mai sunt multe intrebari care necesita un raspuns.

De ce observam existenta materiei si aproape ca nu exista nicio urma de antimaterie daca credem ca exista o simetrie intre cele doua? Ce este “materia intunecata”? De ce nu poate prezice Modelul Standard masa particulei? Sunt oare cuarcii si leptonii particule fundamentale? Sau sunt alcatuite din alte caramizi mai mici? Si inca se mai cauta o teorie a totului care sa contina si gravitatia.

Bibliografie:

ParticleAdventure, UOregon.edu, Wikipedia