Totul, începând cu galaxiile, munţii şi terminând cu moleculele, este alcătuit din quarcuri şi leptoni. Însă asta nu e întreaga poveste. Quarcurile se comportă diferit de leptoni şi pentru fiecare tip de particulă de materie există o particulă de antimaterie corespunzătoare.
Ce e cu adevărat fundamental? (1)
Materie şi antimaterie
Pentru fiecare tip de particulă de materie pe care am găsit-o, există o particulă de antimaterie corespondentă (numită antiparticulă). Antiparticulele arată şi se comportă la fel ca particulele de materie corespunzătoare, numai că au sarcini electrice de semn opus. De exemplu, un proton este pozitiv din punct de vedere electric, pe când un antiproton este negativ. Gravitaţia afectează materia şi antimateria în acelaşi mod întrucât gravitaţia acţionează la fel indiferent de sarcina electrică a particulei. De asemenea, o particulă de materie are aceeaşi masă cu antiparticula ei.
Atunci când o particulă de materie şi o particulă de antimaterie se întâlnesc, ele se anihilează în energie pură!
Ce este antimateria?
Uşurel! "Antimaterie?" "Energie pură?" Ce este asta, Star Trek? Ideea de antimaterie este ciudată şi cu atât mai ciudată cu cât Universul pare să fie compus în totalitate din materie. Antimateria pare să contrazică tot ceea ce ştim noi despre Univers.
Dar puteţi vedea dovada existenţei antimateriei în fotografia de mai sus (mulţumim laboratorului Fermilab pentru ea) făcută într-un detector al unei camere cu bule. Câmpul magnetic din încăpere face ca particulele negative să devieze spre stânga, iar cele pozitive să devieze spre dreapta. Multe perechi electron-pozitron apar ca din senin, dar provin de fapt din fotoni care s-au deplasat fără să lase nici o urmă. Pozitronii (anti-electroni) se comportă la fel ca electronii, dar îşi deviază traiectoria în sens contrar pentru că au sarcină electrică opusă. (Una din aceste perechi electron-pozitron este evidenţiată în această fotografie.
Dacă antimateria şi materia sunt identice din toate punctele de vedere, mai puţin al sarcinii electrice, de ce este cu mult mai multă materie decât antimaterie în Univers? Ei bine… nu ştim. Dar este o întrebare care nu îi lasă pe fizicieni să doarmă bine noaptea.
Simbolul uzual pentru o antiparticulă este simbolul particulei corespunzătoare cu o linie deasupra. De exemplu, particula de antimaterie a quarcului up (simbolizat de litera “u”) este un antiquarc simbolizat de “u” cu o liniuţă deasupra , care se pronunţă “u-bar”. Antiparticula unui quarc este un antiquarc, antiparticula unui proton este un antiproton, ş.a.m.d. Antielectronul este numit pozitron şi se notează e+.
Quarcuri
Quarcurile sunt un tip de particule ale materiei. Cea mai mare parte a materiei pe care o vedem în jurul nostru este formată din protoni şi neutroni, care sunt alcătuiţi din quarcuri.
Există şase quarcuri, dar de obicei fizicienii se referă la ei vorbind despre trei perechi: up (sus) şi down (jos), charm (farmec) şi strange (ciudat), top (deasupra) şi bottom (dedesubt). De asemenea, pentru fiecare din aceste quarcuri există un antiquarc corespunzător. Este bine că au nume atât de haioase, căci sunt mai uşor de reţinut.
Quarcurile au neobişnuita caracteristică de a avea o sarcină electrică fracţională, spre deosebire de proton şi electron, care au sarcini electrice întregi, de +1, respectiv -1. Quarcurile poartă, de asemenea, un alt tip de sarcină, numită sarcină de culoare, despre care vom discuta mai târziu.
Quarcul care le-a dat cea mai mare bătaie de cap experimentatorilor a fost quarcul top, care a fost descoperit în anul 1995, deşi existenţa sa fusese prezisă cu 20 de ani mai devreme. Vreţi să vedeţi cam care e ideea unui fizician al particulelor despre un joc de cuvinte reuşit? Priviţi imaginea de mai jos:
Denumirile quarcurilor
Denumirea de “quarcuri” a luat naştere în anul 1964, când Murray Gell-Mann şi George Zweig au sugerat faptul că sute de particule cunoscute până atunci ar putea fi explicate ca şi combinaţii de doar trei particule fundamentale. Gell-Mann a ales numele de “quark”, pronunţat “cuarc”, pentru aceste trei particule, un cuvânt fără sens folosit de către James Joyce în romanul “Finnegan's Wake” (Trezirea lui Finnegan): “Trei quarcuri pentru Muster Mark!"
Pentru a face modelul acesta nou să explice sute de particule deja existente, quarcurilor a trebuit să li se atribuie sarcini electrice fracţionale de 2/3 şi -1/3. Asemenea sarcini electrice nu se mai observaseră niciodată până atunci. Quarcurile nu au fost observate niciodată ca entităţi de sine stătătoare, astfel că iniţial acestea au fost privite doar ca o ficţiune matematică, ajutătoare ce-i drept. De atunci, experimentele i-au convins pe fizicieni nu doar de existenţa quarcurilor, ci şi de faptul că ei sunt în număr de şase, nu de trei. Dar cum au primit quarcurile numele lor amuzante? Există şase tipuri (“arome”) de quarcuri, după cum urmează.
Cel mai uşor quarc este quarcul up (sus).
Următorul quarc ca valoare a masei este quarcul down (jos), cu masă doar puţin mai mare decât quarcul top.
Al treilea quarc este numit strange (ciudat). A fost numit după durata de viaţă “ciudat” de lungă a particulei K, prima particulă compozită care conţinea acest quarc.
Al patrulea tip de quarc, quarcul charm (farmec), a fost denumit astfel dintr-un capriciu. A fost descoperit în anul 1974, aproape în acelaşi timp atât la Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), cât şi la Brookhaven National Laboratory (Laboratorul Naţional Brookhaven).
Al cincilea şi al şaselea quarc au fost uneori numiţi în trecut truth (adevăr) şi beauty (frumuseţe), dar până şi fizicienii au crezut că aceste denumiri erau prea drăguţe.
Quarcul bottom (cel ce fusese numit şi beauty) a fost descoperit la Fermilab National Accelerator Laboratory (Fermilab) în anul 1977, într-o particulă compozită numită Upsilon.
Quarcul top (de deasupra, fostul numit truth) a fost descoperit ultimul, tot la Fermilab, în anul 1995. Este cel mai masiv quarc. Fusese prezis cu mult timp înainte, dar până atunci nu a fost niciodată observat cu succes.
Hadroni: barioni şi mezoni
La fel ca elefanţii sociali, quarcurile se află doar în grupuri cu alte quarcuri şi nu se găsesc niciodată singuri (ca entităţi de sine stătătoare). Particulele compuse din quarcuri se numesc hadroni.
Deşi quarcurile individuale au sarcini electrice fracţionale, ele se combină astfel încât hadronii au o sarcină electrică totală întreagă. O altă proprietate a hadronilor este că aceştia nu însumează în total nicio sarcină de culoare, deşi quarcurile însele poartă o sarcină de culoare (vom vorbi mai mult despre sarcina de culoare mai târziu). Există două tipuri de hadroni, după cum urmează:
Barionii sunt reprezentaţi de orice hadron care este alcătuit din trei quarcuri (ccc). Deoarece sunt alcătuiţi din două quarcuri up şi un quarc down (uud), protonii sunt barioni. La fel sunt şi neutronii, formaţi dintr-un quarc up şi două quarcuri down (udd).
Mezonii conţin un quarc (c) şi un antiquarc (c-bar). Un exemplu de mezon este un pion (+), care este alcătuit dintr-un quarc up şi un antiquarc down. Antiparticula acestui mezon inversează quarcul şi antiquarcul, astfel că un antipion (-) conţine un quarc down şi un antiquarc up.
Deoarece un mezon este constituit dintr-o particulă şi o antiparticulă, el este foarte instabil şi după un timp (în general scurt) se va dezintegra. Mezonul K- trăieşte totuşi mult mai mult decât marea majoritate a mezonilor, de aceea i se spune “ciudat (strange)”, şi a dat acest nume quarcului ciudat (strange), unul din quarcurile care îl compun.
Un lucru ciudat despre hadroni este că doar o parte foarte foarte foarte mică a masei lor se datorează quarcurilor din compunerea lor.
Leptoni
Celălalt tip al particulelor materiei îl reprezintă leptonii. Există şase tipuri de leptoni, dintre care trei au sarcină electrică, iar ceilalţi trei nu. Ei apar ca particule punctiforme fără structură internă. Cel mai cunoscut lepton este electronul (e-). Ceilalţi doi leptoni încărcaţi electric sunt miuonul şi particula tau (τ), care au aceeaşi sarcină ca şi electronul, dar masă mult mai mare. Ceilalţi leptoni sunt reprezentaţi de cele trei tipuri de neutrini. Aceştia nu au sarcină electrică, au o masă foarte mică şi sunt foarte greu de detectat.
Quarcurile sunt foarte "sociabile" şi există doar împreună cu alte quarcuri, în particule compozite, în timp ce leptonii sunt particule solitare. Gândiţi-vă la cele trei tipuri de leptoni încărcaţi electric ca la trei tipuri de feline, fiecare din ele având câte un tip de purice, mic şi greu de observat.
Pentru fiecare lepton (particulă de materie) există un partener de antimaterie numit antilepton. Anti-electronul poartă însă numele de “pozitron”.
Dezintegrarea leptonilor
Leptonii mai grei, miuon-ul şi particula τ, nu se găsesc deloc în materia obişnuită. Aceasta din cauză că atunci când sunt produşi, ei se dezintegrează foarte repede sau se transformă în leptoni mai uşori. Uneori, leptonul τ degenerează într-un quarc, un antiquarc, şi un neutrino. Electronii şi cele trei tipuri de neutrini sunt stabili şi astfel sunt tipurile pe care le vedem în mod obişnuit în jurul nostru.
Atunci când un lepton greu se dezintegrează, una din particulele care rezultă este întotdeauna tipul de neutrino ce îi corespunde. Celelalte particule pot fi un quarc şi antiquarcul său sau un alt lepton şi antineutrino-ul său.
Fizicienii au observat că unele tipuri de dezintegrări ale leptonilor sunt posibile, iar altele nu. Pentru a explica acest lucru, ei au împărţit leptonii în trei familii de leptoni: electronul şi neutrinul său, miuonul şi neutrinul său şi particula τ şi neutrinul său. Într-o dezintegrare, numărul de leptoni din fiecare familie trebuie să rămână constant. (O particulă şi antiparticulă din aceeaşi familie se “anulează”, totalul lor fiind egal cu zero.) Dar, deşi leptonii sunt solitari, ei sunt întotdeauna loiali familiilor lor!
Conservarea tipului de leptoni
Leptonii sunt împărţiţi în trei familii de leptoni: electronul şi neutrinul său, miuonul şi neutrinul său şi particula τ şi neutrinul său. Folosim termenii “numărul electronului”, “numărul miuonului” şi “numărul particulei τ” pentru a ne referi la familia de leptoni a unei particule. Electronii şi neutrinii electronici au numărul electronului +1, pozitronii şi neutrinii pozitronici au numărul electronului -1 şi toate celelalte particule au numărul electronului 0. Numărul miuonului şi numărul particulei τ operează analog.
Un lucru important despre leptoni este că numărul electronului, numărul miuonului şi numărul particulei τ se conservă întotdeauna atunci când un lepton masiv se dezintegrează în leptoni mai mici.
Să luăm un exemplu de dezintegrare: un miuon degenerează într-un miuon neutrino, un electron şi un electron antineutrino: După cum puteţi vedea, numerele electronului, al miuonului şi al particulei τ se conservă. Noi credem că acestea, precum şi alte legi ale conservării, definesc dacă un anumit tip de dezintegrare la care ne-am putea gândi este sau nu posibilă.
Neutrinii
Neutrinii sunt, cum am spus, un tip de leptoni. De vreme ce nu au sarcină electrică sau sarcină de culoare, ei nu interacţionează aproape niciodată cu nicio altă particulă. Marea lor majoritate traversează Pământul fără a interacţiona cu vreun atom al acestuia.
Neutrinii sunt produşi într-o varietate de interacţiuni, în special în dezintegrări de particule. De fapt, tocmai prin studiul atent al dezintegrărilor radioactive, fizicienii au făcut făcut observaţii care i-au dus cu gândul la ipoteza existenţa neutrinului.
De exemplu: (1) Într-un nucleu radioactiv, un neutron în repaus (impuls zero) se dezintegrează, eliberând un proton şi un electron. (2) Conform legii de conservare a impulsului, produşii rezultaţi în urma dezintegrării trebuie să aibă un impuls total egal cu zero, pe care protonul şi electronul observaţi evident nu îl au. (3) De aici deducem prezenţa unei alte particule cu impuls de valoare potrivită pentru a balansa evenimentul în sensul de a face ca această dezintegrare să conserve impulsul. (4) A fost emisă atunci ipoteza că a fost eliberat un antineutrino. Ulterior experimentele au confirmat acest lucru.
Deoarece neutrinii au fost produşi în cantitate mare în Universul timpuriu şi ei doar rareori interacţionează cu materia (în aceste interacţii ei ar fi anihilaţi şi alte particule ar fi produse), ei se află încă într-un număr mare în Univers. Masa lor mică şi numărul lor uriaş pot contribui la masa totală a Universului şi îi pot afecta expansiunea.
Generaţiile materiei
Reţineţi că atât quarcurile, cât şi leptonii există în trei familii distincte. Fiecare familie de quarcuri şi leptoni ce au anumite valori ale sarcinii electrice se numeşte generaţie de materie (sarcini +2/3, -1/3, 0 şi -1). Generaţii succesive conţin particule cu mase tot mai mari. Există fix trei generaţii.
Toată materia vizibilă din Univers este alcătuită din particule ale materiei de primă generaţie, quarcuri up, quarcuri down şi electroni. Aceasta deoarece toate particulele din a doua şi a treia generaţie sunt instabile şi se dezintegrează rapid în particule stabile ale primei generaţii.
Dar stai un pic! Dacă generaţiile mai înalte ale materiei se dezintegrează repede, sunt observate rar şi nu fac parte din materia stabilă din jurul nostru, de ce există la urma urmei? Bună întrebare. De fapt, atunci când a fost descoperit miuonul (prima particulă din a doua generaţie), fizicianul I.I. Rabi a întrebat:
Cine a comandat asta? (I. I. Rabi, referindu-se la miuon)
Atunci de ce avem generaţii ale materiei? De ce ele sunt trei? Nu ştim. Şi fără a înţelege de ce generaţiile a doua şi a treia există, nu putem să excludem posibilitatea de a exista încă mai multe quarcuri şi leptoni din noi generaţii pe care nu i-am descoperit încă. Sau poate răspunsul este că nici quarcurile, nici leptonii nu sunt de fapt fundamentali, ci sunt alcătuiţi din particule “şi mai elementare”, care combinate produc diversele tipuri de quarcuri pe care le observăm în prezent.
Ce face ca "Lumea" să fie stabilă? (3)
Traducere de Irina Joantă de pe Particle Adventure.
