Modelul StandardOamenii s-au întrebat mereu din ce este făcută lumea şi ce o face stabilă. De ce atât de multe lucruri din lume au aceleaşi caracteristici? În Grecia antică, filozofii au bănuit că materia din care e făcută lumea se constituie din câteva elemente fundamentale ale naturii.

 

 

 

Seria de articole care începe aici va explora în detaliu modelul standard şi va descrie tehnicile experimentale care ne-au oferit datele pentru a susţine această teorie. Vom explora şi întrebările intrigante despre aspectele care sunt încă în afara înţelegerii noastre curente privind felul în care funcţionează  Universul.


Întrebări eterne

Cuvântul "fundamental", cu sensul de „elementar” reprezintă cheia în acest caz. Prin elemente fundamentale înţelegem obiecte simple şi fără structură, care nu sunt alcătuite din ceva mai mic.

Încă din vremurile antice, oamenii au căutat să organizeze lumea din jurul lor în elemente fundamentale, cum sunt pământul, aerul, focul şi apa.

 

Cele patru elemente

 



Atomul

Astăzi ştim că există ceva "mai fundamental" decât pământul, apa, aerul şi focul...

 

Prin convenţie este culoare,
Prin convenţie dulceaţă,
Prin convenţie amăreală,
Dar în realitate sunt atomi şi spaţiu.

Democrit (aprox. 469 î.e.n.)

 

Atomul

 

În jurul anului 1900, oamenii considerau atomii ca bile permeabile încărcate cu sarcini electrice jucăuşe în interiorul atomului.


Dar este atomul fundamental?

 

Tabloul periodic al elementelor chimice

Curând, oamenii au realizat că ar putea clasifica atomii în grupuri care partajează proprietăţi chimice asemănătoare (ca în Tabelul Periodic al elementelor).  Aceasta sugera că atomii erau la rândul lor alcătuiţi din alte elemente mai simple şi că aceste elemente mai simple combinate în feluri diferite creau diferite specii de atomi cu diferite proprietăţi.

Mai mult, experimentele care „priveau” în structura atomului, folosind particule drept sonde, au arătat că atomii au o structură, nu sunt doar bile permeabile. Aceste experimente i-au ajutat pe oamenii de ştiinţă să descopere că un atom are un nucleu pozitiv mic, dar dens şi un nor de electroni negativi (e-).

 

Atomul nu este fundamental, este format din nucleu si electroni.
Aşadar atomul nu este fundamental, ci este format din nucleu şi electroni.



Atunci poate este nucleul fundamental?

Pentru că este mic, solid şi dens, oamenii de ştiinţă au crezut iniţial că nucleul e fundamental. Mai târziu însă, ei au descoperit că acesta este constituit din protoni (p+), care sunt încărcaţi pozitiv şi neutroni (n), care nu sunt încărcaţi electric.

 

Nici nucleul nu este fundamental, ci este format din protoni si electroni.
Aşadar, nici nucleul nu este fundamental, ci este format din protoni şi neutroni.



Sau poate sunt protonii şi neutronii fundamentali?

Fizicienii au descoperit că până şi protonii şi neutronii se compun din particule chiar mai mici, numite quarcuri. Din câte ştim, quarcurile au rază zero şi deci nu au dimensiune, ca şi punctele în geometrie. Ei nu sunt alcătuiţi din altceva. Aşadar, quarcurile sunt fundamentale.

 

Nici protonii si nici neutronii nu sunt fundamentali, ci sunt formati din quarcuri

Deci nici protonii şi nici neutronii nu sunt fundamentali, dar quarcurile din care sunt ei formaţi sunt. După ce au testat pe larg această teorie, oamenii de ştiinţă bănuiesc acum că electronul şi quarcurile (şi alte câteva particule de care vom vorbi în articolele următoare) sunt fundamentale. Dar să revenim şi să privim atomul mai atent.


Modelul modern al atomului

Electronii se află într-o mişcare continuă în jurul nucleului, protonii şi neutronii „tremură” uşor în interiorul nucleului, iar quarcurile „dansează” uşor înlăuntrul protonului şi neutronilor.

 

Modelul complet al atomului

Atenţie! Această fotografie este foarte distorsionată. Dacă am desena atomul la scară şi am da protonilor şi neutronilor un centimetru în diametru, atunci electronii şi quarcurile ar avea mai puţin decât diametrul unui fir de păr, iar întregul diametru al atomului ar fi mai mare decât lungimea a treizeci de terenuri de fotbal! 99.999999999999% din volumul unui atom este doar spaţiu gol!

 

Dimensiuni specifice pentru componentele atomului
Componentele atomului, cu dimensiunile lor specifice

 

Ce caută fizica particulelor?

Fizicienii caută în mod constant particule noi. Când le găsesc, ei le clasifică şi încearcă să găsească şabloane care ne spun cum interacţionează cărămizile fundamentale ale Universului. Până în prezent s-au descoperit aproximativ două sute de particule (dintre care majoritatea nu sunt fundamentale). Pentru a le reţine numele mai uşor, acestea au fost botezate folosind litere ale alfabetelor grec şi latin.

Desigur, numele particulelor nu sunt decât o mică parte a oricărei teorii a fizicii. Nu ar trebui să vă descurajaţi dacă aveţi probleme în a reţine aceste nume. Luaţi aminte, chiar şi marele Enrico Fermi a spus odată studentului său (viitorul laureat Nobel) Leon Lederman: “Tinere, dacă mi-aş putea aminti numele acestor particule, aş fi fost botanist.”

 

Ma scuzati, sunteti o particula fundamentala?
Mă scuzaţi, sunteţi o particulă fundamentă?

 

Modelul standard

Fizicienii au dezvoltat o teorie numită modelul standard, care explică ce este lumea şi ce o face să fie unită. Este o teorie simplă şi cuprinzătoare, care explică toate sutele de particule şi interacţiunile lor complexe cu ajutorul a doar: 6 quarcuri, 6 leptoni, (cel mai cunoscut lepton este electronul), particule mediatoare ale forţelor şi interacţiilor (cel mai cunoscut este fotonul).

Toate particulele cunoscute ale materiei sunt compuse din quarcuri şi leptoni şi ele interacţionează unele cu altele prin schimbul de particule mediatoare specifice fiecăruia din cele patru tipuri fundamentale de interacţii sau forţe (forţa gravitaţională, forţa electromagnetică, forţa nucleară tare şi forţa nucleară slabă).

Modelul standard este o teorie bună. Experimentele au verificat toate predicţiile sale cu o precizie incredibilă şi au fost găsite toate particulele prezise de către această teorie, mai puţin una, şi anume particula Higgs, cea care explică de ce materia are masă (articolul original a fost publicat înainte de 2012. În iulie 2012 descoperirea bosonului Higgs a fost anunţată de CERN. N.red.). Dar ea nu explică tot. De exemplu, forţa gravitaţională nu este explicată de modelul standard, deoarece ea este atât de slabă la scara particulelor, încât este complet neglijabilă.

Din ce e făcută lumea? (2)

Traducere de Irina Joantă de pe Particle Adventure.