În filmul următor veţi vedea cum teoria modelului standard al particulelor elementare combină electrodinamica cuantică, cromodinamica cuantică şi teoriile despre forţa slabă în cadrul celei mai cuprinzătoare concepţii despre particulele elementare formulate vreodată. Gravitaţia nu îşi găseşte locul încă în cadrul acestei teorii.

 


BIG BANG

La momentul naşterii Universului totul era extrem de fierbinte, iar lucrurile se întâmplau extrem de rapid. Pentru cel mai mic interval de timp despre care se poate vorbi, şi anume 10-43 dintr-o secundă, temperatura a fost de 1032 de grade C, iar densitatea de-a dreptul de nedescris. La acel moment în timp exista o singură forţă universală şi un singur tip de particulă elementară.

Dar situaţia nu avea să dureze. La finele primei clipite, gravitaţia se retrăgea din uniunea de forţe. La 10-35 secunde, forţa nucleară tare părăsea uniunea şi ea, ceea ce declanşa expansiunea, evenimentul în urma căruia Universul creştea instantaneu de la dimensiuni subatomice până la un volum necunoscut. Această expansiune şi răcirea ulterioară la 1027 de grade permite apariţia celor 6 tipuri de quarcuri.

 


Modelul standard al particulelor fundamentale - partea 1

 

La momentul de timp 10-12 secunde, şi la o temperatură de 1015 grade, forţa slabă şi electromagnetismul se separă şi ele, astfel că deja cele patru forţe pe care le cunoaştem în prezent acţionează independent. La acest moment toate cele 6 tipuri de leptoni, inclusiv electronul, sunt deja formate.

La 10-6 secunde, quarcurile "up" şi "down" dădeau deja naştere protonilor şi neutronilor. Toate quarcurile grele se dezintegraseră, la fel şi toţi leptonii grei, iar antimateria dispăruse şi ea. Iar la momentul în care Universul atingea vârsta de o secundă, protonii şi neutronii deja începeau să se unească dând naştere celor mai uşoare nuclee atomice.


Ce este materia?


Materia este "substanţa”, „lucrul" pe care îl poţi ţine în mână sau măcar vizualiza ca putând fi ţinut în mână, pe când forţa este acel ceva ce face ca materia să se deplaseze, să se transforme sau să reacţioneze - o acţiune. Aerul este materie, deşi nu îl putem vedea.  Acum să ne gândim la o bucăţică dintr-un anume material şi să ne imaginăm că o descompunem în componentele sale fundamentale, particulele elementare care intră în compoziţia sa: la nivelul atomilor, şi apoi mai jos, la cel al protonilor, neutronilor, şi în final la cel al quarcurilor şi electronilor. Dacă mâinile noastre ar fi suficient de mici, am putea ţine în palmă şi aceste particule fundamentale. Astfel că aceste particule trec testul "ţinutului-în-palmă" şi pot fi declarate ca intrând în categoria materiei.


Nivelul subatomic


Numai că la nivel subatomic lucrurile devin neclare. Iată! Pe măsură ce analizăm materia până la cele mai mici componente subatomice, trebuie să depăşim anumite niveluri structurale care pot exista doar graţie FORŢELOR care menţin aceste structuri laolaltă. Protonul şi electronul, de pildă, se atrag reciproc, iar acea forţă de atracţie este cea care îi ţine laolaltă în interiorul atomului.

Dar cine generează de fapt această atracţie? De unde ştie electronul că protonul este acolo şi ce îl atrage către acesta? Cum ştie electronul să NU fie atras de neutron? Răspunsul este că electronul şi protonul, fiecare în parte, "populează" spaţiul din jurul lor cu nenumărate particule minuscule, virtuale, cu o existenţă efemeră.

Deoarece este neutru din punct de vedere electric, neutronul nu se comportă astfel. Aceste particule virtuale "trăiesc" pentru un timp extrem de scurt şi apoi dispar doar pentru a fi înlocuite cu altele "aruncate în luptă" de particula părinte. La această scară, cantitatea minusculă de energie necesară apariţiei acestor particule virtuale poate fi generată din nimic. Numai că, de asemeni, particulele virtuale trebuie să şi dispară aproape instantaneu, deoarece energia folosită pentru a le "da viaţă" poate exista doar pentru extrem de puţin timp (cf. principiului lui Heisenberg).

Ne putem imagina aceste particule virtuale ca mingi legate de particula părinte cu un material elastic şi revenind rapid în părinte la momentul  dispariţiei. Dacă una sau mai multe dintre ele intersectează teritoriul unei alte particule virtuale, aparţinând altei particule părinte, atunci ele pot să interacţioneze şi chiar să fie schimbate între particulele părinte. Un asemenea schimb de particule virtuale este resimţit de particulele părinte sub forma unei forţe.

Aceste câmpuri de particule virtuale care înconjoară o particulă părinte sunt create după tipare specifice şi "populează" spaţiul din jurul particulelor părinte într-o manieră bine definită. Aceste tipare de distribuţie au fost botezate de către oamenii de ştiinţă, în mod sugestiv, câmpuri. Particulele virtuale poartă numele de mediatori ai forţelor sau particule-forţă.


Cele 4 forţe fundamentale


Oamenii de ştiinţă vorbesc despre existenţa a 4 tipuri diferite de câmpuri de forţă şi toate funcţionează conform mecanismului descris anterior. Suntem cu toţi obişnuiţi cu 2 dintre aceste forţe. Gravitaţia şi electromagnetismul se manifestă la scări observabile în viaţa cotidiană.

O a treia forţă este cea care ţine quarcurile laolaltă în interiorul protonilor şi neutronilor, iar un reziduu al acestei forţe face ca protonii şi neutronii să stea uniţi în interiorul nucleelor atomice. Această forţă poartă numele de forţă tare, dar uneori este menţionată şi cu numele de "forţă culoare". A patra forţă este responsabilă cu fenomenul radioactivităţii şi poartă numele de forţă slabă.


Modelul standard al particulelor fundamentale - partea a 2-a

Particulele virtuale din compoziţia acestor câmpuri, care sunt schimbate dând naştere fiecărei forţe se numesc bosoni gauge. Fiecare dintre cele 4 forţe posedă propriul boson gauge. În anumite limite, energia şi masa pot fi create din aparentul vid spaţio-temporal, dar doar pentru foarte scurte perioade de timp. Şi cu cât aceste particule au mai multă energie şi masă, cu atât mai scurt este timpul lor de viaţă. Bosonii gauge mai uşori pot exista pentru perioade mai lungi de timp, putând în schimb să se depărteze mai mult de particula părinte înainte de a reveni. Altfel spus, distanţa pe care o forţă acţionează este strâns legată de masa propriului boson gauge.


Fotonul şi QED - electrodinamica cuantică

Fotonul este bosonul gauge al forţei electromagnetice, iar gravitonul este particula gauge a gravitaţiei. Aceste două particule au masă nulă, astfel că aceste două forţe fundamentale acţionează pe distanţe infinite. Forţa nucleară tare este mult mai complexă. Proprietatea de tip sarcină responsabilă de apariţia interacţiunii între quarcuri este de trei tipuri, spre deosebire de cele doar două tipuri întâlnite în cazul sarcinii electrice, deci al electromagnetismului. Astfel că, făcând o analogie aproximativă cu cele 3 culori primare: roşu, verde şi albastru, cele trei tipuri de sarcină care caracterizează interacţiunea nucleară tare sunt de obicei denumite "sarcină culoare" şi sunt reprezentate grafic folosind culorile roşu, verde şi albastru.


Cromodinamica cuantică - QCD


Aşa cum teoria sarcinilor electrice a fost botezată "electrodinamică cuantică" sau QED, numele pentru teoria quarcurilor a devenit "cromodinamica cuantică" sau QCD. Este interesant de remarcat că toate particulele detectabile sunt "albe" din punct de vedere al sarcinii "culoare", deci "culoarea" nu e niciodată vizibilă şi, din moment ce protonul şi ceilalţi barioni au toţi în componenţă câte trei quarcuri, "culorile" celor trei quarcuri TREBUIE să fie câte una dintre cele trei: roşu, verde şi albastru, care însumate "produc alb". Mai mult, mezonii sunt întotdeauna formaţi dintr-o pereche quarc-antiquarc conținând "combinaţii de culori" precum roşu-antiroşu, albastru-antialbastru ori verde-antiverde - de asemeni combinaţii care "însumate" dau alb.

Forţa nucleară tare trebuie să aibă şi ea propriul boson gauge şi s-a dovedit că există 8 tipuri ale acestui boson, 8 gluoni diferiţi care "poartă" forţa culoare. Şi spre deosebire de celelalte particule-forţă, gluonii sunt caracterizaţi la rându-le de o proprietate culoare din care cauză interacţionează unii cu alţii. De fiecare dată când două quarcuri interacţionează şi schimbă un gluon – ei îşi schimbă sarcina culoare asociată. De asemeni, deoarece gluonii se atrag reciproc, este posibil să vorbim despre o colecţie de gluoni numită "glueball".

Interacţiunile caracteristice forţei slabe se fac simţite pe distanţe extrem de scurte, fiind eficace pe distanţe mult inferioare diametrului unui proton şi acest aspect impune ca particulele gauge ale forţei slabe, numite W şi Z, să fie extrem de masive. Pe distanţe suficient de mici şi la energii foarte mari, diferenţele dintre cele patru forţe devin insesizabile, deoarece particulele-forţă asociate sunt, de asemeni, de nedesluşit.


Concluzie

Modelul standard combină teoriile QCD, QED şi concepţiile despre interacţiunile nucleare slabe. Acest model al particulelor fundamentale postulează existenţa a 6 quarcuri, 6 leptoni şi 12 bosoni gauge, precum şi a antiparticulelor corespunzătoare. Dar numai quarcurile "up" şi "down", electronul şi cel mai uşor dintre neutrini există din abundenţă în Univers în prezent. Conform teoriei modelului standard întregul sistem al particulelor de materie şi energie (cu excepţia gravitaţiei) este descris cu ajutorul câtorva ecuaţii simple şi este organizat în jurul unui principiu esenţial cunoscut drept simetrie locală gauge.

— • • • —

Pentru a vedea tabloul complet al Modelului Standard al particulelor elementare, puteţi descărca Posterul Particulelor fundamentale realizat de echipa Scientia (lb.română) de AICI

Citiţi şi articolul "Particulele elementare"!

 
Credit: www.cassiopeiaproject.com
Traducerea: Scientia.ro.