Modelul StandardÎn prezent credem că avem o idee clară despre compoziţia lumii: quarcuri şi leptoni. Deci... ce anume le menţine împreună, ce face ca lumea să fie stabilă? Cum interacţionează materia cu materia? În continuare, despre cele 4 forţe fundamentale.

 

 

 

Cele 4 forte fundamentale
Iată o reprezentare pe înţelesul tuturor a celor 4 tipuri de forţe cunoscute

 

Universul, pe care îl cunoaştem şi iubim, există datorită interacţiilor particulelor fundamentale. Aceste interacţiuni includ forţele de atracţie şi de respingere, dezintegrarea unei particule şi anihilarea de particule. Există patru interacţiuni fundamentale între particule şi toate forţele din lume pot fi explicate prin aceste patru interacţiuni fundamentale. Din nou, cuvântul cheie este “fundamental”.

Orice forţă la care te poţi gândi (frecare, magnetism, gravitaţie, dezintegrare nucleară şi aşa mai departe) este cauzată de una dintre aceste patru interacţiuni fundamentale (în ordinea în care vor fi prezentate mai jos): forţa electromagnetică, forţa tare, forţa slabă, forţa gravitaţională.

 

Care este diferenţa dintre o forţă şi o interacţiune?

Noţiunile sunt foarte asemănătoare. O forţă este efectul asupra unei particule datorită prezenţei unei alte particule. Interacţiunile unei particule includ toate forţele care o afectează, dar includ şi dezintegrările şi anihilările prin care particula s-ar putea să treacă. (vom discuta despre aceste dezintegrări şi anihilări mai amănunţit în capitolul următor).

Această confuzie apare din faptul că majoritatea oamenilor, chiar şi majoritatea oamenilor de ştiinţă folosesc termenii de “forţă” şi “interacţiune” cu acelaşi sens, deşi cel mai potrivit ar fi acela de “interacţiune”. De exemplu, numim particulele mediatoare ale interacţiunii ca particule purtătoare de forţă. Va fi în regulă dacă vei folosi aceşti termeni cu sens echivalent, dar ar trebui să ştii ca ei sunt totuşi puţin diferiţi.

 

Cum interacţionează materia cu materia?

Este o întrebare dificilă, care i-a chinuit pe fizicieni mulţi ani... Problema constă în faptul că lucrurile interacţionează fără a se atinge! Cum "simte" un magnet prezenţa altui magnet şi cum se atrag sau se resping în funcţie de ceea ce "simt"? Cum atrage Soarele Pământul de la distanţă? Ştim că răspunsurile la aceste întrebări sunt "magnetismul" şi "gravitaţia", dar ce sunt aceste forţe? La nivel fundamental, o forţă nu este ceva care se întâmplă pur şi simplu particulelor. Ea este un lucru care este transferat între două particule.

 

magneti
Doi magneţi ce interacţionează fără a se atinge. Adică fiecare magnet acţionează cu o forţă asupra celuilalt de la distanţă
 
Efectul nevăzut

Poţi să te gândeşti la forţe ca fiind analoage cu următoarea situaţie:

Doi oameni stau pe un mic lac îngheţat. O persoană îşi mişcă braţul şi este împinsă înapoi; un moment mai târziu, cealaltă persoană ia un obiect invizibil şi este împinsă înapoi. Chiar dacă nu poţi să vezi o minge de baschet, poţi presupune că o persoană a aruncat o minge de baschet celeilalte persoane întrucât tu vezi efectul ei asupra oamenilor. (daţi click pe semnul de sub animaţie pentru a face mingea de baschet să apară şi să dispară).

Rezultă că toate interacţiunile care afectează particule de materie sunt datorate unui schimb între particulele purtătoare de forţe, un cu totul alt tip de particule. Oamenii de pe gheaţă sunt echivalentul particulelor de materie, iar mingea de baschet este echivalentul particulelor purtătoare de forţe. Ceea ce noi credem că sunt "forţe" reprezintă de fapt efectele particulelor purtătoare de forţe asupra particulelor materiei.

Animaţia cu mingea de baschet este desigur o analogie foarte aproximativă, întrucât poate să explice doar forţele de respingere şi nu dă nici un indiciu despre modul în care din particulele interschimbate pot rezulta forţe de atracţie.

Vedem exemple de forţe de atracţie în viaţa de toate zilele (cum ar fi magneţii şi gravitaţia) şi astfel generalizăm că prezenţa unui obiect poate clar să afecteze un alt obiect. Doar când studiem întrebarea: "Cum pot două obiecte să se afecteze unul pe celălalt fără a se atinge?", ne dăm seama că forţa invizibilă ar putea fi inter-schimbul particulelor purtătoare de forţă. Fizicienii particulelor au descoperit că putem explica forţa acţiunii unei particule asupra alteia cu precizie incredibilă cu ajutorul inter-schimbării acestor particule purtătoare de forţă.

Un lucru important de ştiut despre purtătorii forţelor este că o particulă purtătoare a unei anumite forţe poate să fie doar absorbită şi produsă de o particulă a materiei care este afectată de acea forţă. De exemplu, electronii şi protonii sunt încărcaţi din punct de vedere electric, deci ei pot produce şi absorbi fotonul, purtătorul forţei electromagnetice. Pe de altă parte, neutrinii nu sunt încărcaţi din punct de vedere electric, deci ei nu pot absorbi sau produce fotoni.

 Avertizare

Avertizare! Dacă absorbi sau produci o particulă mediatoare a unei interacţii fundamentale, atunci trebuie neapărat să te laşi influenţat de acest tip de interacţie. În caz contrar, veţi fi acuzaţi de subminarea realităţii!

 

Forţa electromagnetică

Forţa electromagnetică face ca obiecte încărcate cu sarcină electrică de acelaşi semn să se respingă, iar cele încărcate cu sarcină electrică de semn opus să se atragă. Multe forţe din zilele noastre, cum ar fi frecarea şi chiar magnetismul sunt cauzate de forţa electromagnetică sau forţa EM. De exemplu, forţa care nu îţi permite să cazi prin podea este forţa electromagnetică, forţă care face ca atomii ce alcătuiesc materialul din picioarele tale şi al podelei să reziste tendinţei de a se întrepătrunde.

Fulger

Fotonul este particula purtătoare de forţă electromagnetică. Fotonii de energii diferite cuprind întregul spectru electromagnetic, precum razele X, lumina vizibilă, undele radio, etc. Fotonii au masa nulă din câte ştim până acum şi întotdeauna călătoresc la “viteza luminii în vid”, c, care este de aproximativ 300,000,000 de metri pe secundă.

 

Atractie
respingere

Sarcini electrice de semne diferite se atrag, iar cele de sarcini de acelaşi semn se resping.

 

Forţa electromagnetică reziduală

Atomii au de obicei un număr egal de protoni şi de electroni. Ei sunt neutri din punct de vedere electric întrucât protonii pozitivi anulează electronii negativi. Din moment ce ei sunt neutri, ce îi determină să se lipească pentru a forma molecule stabile?

Răspunsul este puţin ciudat: am descoperit că părţile încărcate electric ale unui atom pot interacţiona cu părţile încărcate electric ale unui alt atom. Acest lucru permite atomilor diferiţi să se unească, efectul acestui lucru numindu-se forţa electromagnetică reziduală.

Deci forţa electromagnetică le permite atomilor să se unească şi să formeze molecule, permiţând astfel Lumii să fie stabilă şi să creeze materia cu care interacţionezi tot timpul. Uimitor, nu-i aşa? Toate structurile lumii există pur şi simplu pentru că protonii şi electronii au sarcini electrice opuse.

EM Reziduala

Forţa reziduală E-M în acţiune: atomii sunt neutrii din punct de vedere electric, dar electronii dintr-un atom sunt atraşi de protonii din altul şi vice-versa! Vedeţi? Acum cunoaşteţi sensul vieţii! Viaţa este doar un exemplu simplu de forţă electromagnetică!


Dar nucleul, cum de e stabil?

Nucleu

Totuşi avem o altă problemă în privinţa atomilor. Ce anume face ca protonii şi neutronii să stea împreună în nucleu, făcând ca nucleul şi deci atomii să fie stabili?

 

Dezintegrare

Nucleul unui atom este alcătuit din protoni şi neutroni îngrămădiţi laolaltă. Din moment ce neutronii nu sunt încărcaţi electric şi protonii încărcaţi pozitiv se resping unii pe alţii, de ce nu explodează nucleul?

Doar cu forţa electromagnetică nu putem explica de ce nucleul nu explodează. Ce altceva ar putea să fie? Gravitaţia? Nu! Forţa gravitaţională este mult prea slabă pentru a învinge forţa electromagnetică. Deci cum putem rezolva această dilemă?

 

 

Forţa tare

Pentru a înţelege ce se întâmplă în interiorul nucleului, avem nevoie să înţelegem mai multe despre quarcurile care alcătuiesc protonii şi neutronii din nucleu. Quarcurile au sarcină electrică, dar şi un tip total diferit de sarcină numită sarcină de culoare. Forţa dintre particulele încărcate cu sarcină de culoare este foarte puternică, deci această forţă este denumită forţa nucleară tare sau forţa tare.

Halterofil
Gluon

Forţa tare menţine quarcurile împreună pentru a forma hadroni, astfel că aceste particule purtătoare ale forţei tari sunt denumite gluoni; ele “lipesc” quarcurile unele de altele („to glue” în limba engleză înseamnă „a lipi” şi există şi un produs de lipit destul de cunoscut numit „super-glue”).

Sarcina de culoare se comportă diferit faţă de sarcina electromagnetică. Gluonii înşişi au sarcină de culoare, ceea ce este ciudat, căci fotonii nu sunt încărcaţi electromagnetic. În timp ce quarcurile au sarcină de culoare, particulele compuse alcătuite din quarcuri nu au sarcină de culoare (ele sunt neutre din punct de vedere al culorii). Din acest motiv, forţa tare îşi face simţită prezenţa doar la distanţe mici unde interacţionează quarcurile, iar din această cauză forţa tare nu are nici un efect în viaţa de toate zilele.


Sarcina de culoare

Quarcurile şi gluonii sunt particule care au sarcină de culoare. La fel cum particulele încărcate electric interacţionează electromagnetic interschimbând fotoni, particulele cu sarcină de culoare interschimbă gluoni în interacţiuni tari. Când două quarcuri sunt apropiate, ele interschimbă gluoni şi creează un câmp foarte puternic de forţă de culoare care leagă quarcurile împreună. Câmpul de forţă devine tot mai puternic pe măsură ce quarcurile se îndepărtează. Quarcurile îşi schimbă sarcina de culoare în mod constant pe măsură ce interschimbă gluoni cu alte quarcuri.

 

Culoare si anticuloare

Există trei sarcini de culoare şi trei sarcini de anticuloare corespunzătoare (culori complementare). Fiecare quarc are una dintre cele trei sarcini de culoare şi fiecare antiquarc are una dintre cele trei sarcini de anticuloare. La fel cum o combinaţie de lumină roşie, verde şi albastră conduce la lumină albă, într-un barion o combinaţie de sarcini de culoare "roşie", "verde" şi "albastră" este neutră din punct de vedere al culorii, iar într-un antibarion o combinaţie de "antiroşu", "antiverde" şi "antialbastru" este de asemenea neutră ca şi culoare. Mezonii sunt neutri din punct de vedere al culorii întrucât ei au combinaţii de genul "roşu" şi "antiroşu".

 

Culoare quarcuri

Quarcurile au o culoare. Anti-quarcurile au o anti-culoare. Gluonii au o culoare şi o anti-culoare.

 

Întrucât emisia şi absorbţia de gluoni provoacă întotdeauna schimbarea culorii quarcurilor ce emit sau absorb gluonii şi cum în plus culoarea este o cantitate conservată, se poate crede despre gluoni că poartă o sarcină de culoare şi una de anticuloare. Din moment ce există nouă posibile combinaţii culoare - anticuloare, ne-am putea aştepta la nouă posibile sarcini ale gluonilor, dar din matematică reiese că există doar opt combinaţii. Din păcate, nu există nici o explicaţie intuitivă pentru acest rezultat.

Atenţionare importantă: "Sarcina de culoare" nu are nici o legătură cu culorile vizibile, ea este doar o convenţie convenabilă de nume pentru un sistem matematic pe care fizicienii l-au dezvoltat pentru a explica observaţiile lor despre quarcurile din hadroni.

 

Confinarea quarcurilor

 

Confinare

Particulele care au sarcină de culoare nu pot fi exista individual, ca entităţi de sine stătătoare. De aceea, quarcurile cu sarcină de culoare sunt grupatei împreună cu alte quarcuri în particule numite hadroni. Aceste grupuri compuse sunt neutre din punct de vedere al culorii.

Dezvoltarea teoriei Modelului Standard al interacţiei tari a scos la lumină dovezi referitoare la combinarea quarcurilor în barioni (obiecte care conţin trei quarcuri) şi mezoni (obiecte care conţin un quarc şi un antiquarc), dar nu şi, de exemplu, obiecte care să conţină patru quarcuri. Acum înţelegem că numai barionii (trei culori diferite) şi mezonii (culoare şi anticuloare) sunt neutri din punct de vedere al culorii. Particule ca ud sau uddd nu pot fi combinate în stări neutre din punct de vedere al culorii şi de aceea nu există şi nu sunt niciodată observate.

 

Câmpul forţei de culoare

camp de culoare

Quarcurile dintr-un hadron emit şi absorb o mulţime de gluoni. De aceea, fizicienii vorbesc despre câmpul forţei de culoare, câmp alcătuit din gluoni, ca fiind cel ce menţine quarcurile împreună..

Dacă unul dintre quarcurile dintr-un anumit hadron este îndepărtat de vecinii lui, câmpul forţei de culoare se ,,întinde’’ între quarc şi vecinii lui. Astfel, tot mai multă energie se adaugă câmpului forţei de culoare pe măsură ce quarcurile sunt îndepărtate. Într-un anumit punct, este mai ieftin din punct de vedere energetic pentru câmpul forţei de culoare să" plesnească" şi să creeze o pereche nouă quarc-antiquarc. În acest proces energia este conservată întrucât energia câmpului forţei de culoare este convertită în masa noilor quarcuri şi câmpul forţei de culoare se poate "relaxa" din nou, revenind în starea "netensionată".

rupere camp de culoare

Quarcurile nu pot exista individual întrucât forţa de culoare creşte pe măsură ce ei sunt îndepărtaţi.

 

Quarcurile emit gluoni

Culoarea quarcurilor este întotdeauna conservată. Când un quarc emite sau absoarbe un gluon, culoarea acelui quarc trebuie să se schimbe pentru a conserva sarcina de culoare. De exemplu, să presupunem că un quarc roşu se schimbă într-un quarc albastru şi emite un gluon roşu / antialbastru (imaginea de mai jos ilustrează antialbastrul ca galben). Culoarea finală este totuşi roşu. Asta se petrece datorită faptului că după emisia gluonului, culoarea albastră a  quarcului se anulează  cu culoarea antialbastru a gluonului. Culoarea care rămâne este culoarea roşie a gluonului.

Quarcurile emit şi absorb gluoni foarte frecvent într-un hadron, deci nu există posibilitatea de a observa culoarea unui singur quarc. În interiorul unui hadron, totuşi, culoarea celor două quarcuri care interschimbă un gluon se va schimba într-un mod care menţine sistemul legat într-o stare neutră din punct de vedere al culorii.

 

Forţa tare reziduală

Acum ştim că forţa tare leagă quarcurile împreună deoarece acestea au sarcină de culoare. Dar acest lucru nu explică totuşi ce anume menţine un nucleu stabil, din moment ce protonii pozitivi se resping unii pe alţii cu forţa electromagnetică, iar protonii şi neutronii sunt neutri din punct de vedere al sarcinii de culoare. Deci ce menţine nucleele împreună?

Răspunsul scurt ţine tocmai de nume: nu degeaba forţa tare se cheamă aşa. Forţa tare dintre quarcurile dintr-un proton şi quarcurile dintr-un alt proton este suficient de puternică pentru a depăşi forţa electromagnetică de respingere.

Forta tare reziduala

Forţa tare reziduală ţine împreună protonii şi neutronii într-un nucleu stabil.

 

Forţa slabă

Există şase tipuri de quarcuri şi şase tipuri de leptoni. Însă toată materia stabilă din univers pare să fie făcută din cele mai uşoare două quarcuri (quarcul up şi quarcul down), cel mai uşor lepton încărcat cu sarcină electrică (electronul) şi neutrini.

Interacţiunile slabe sunt responsabile pentru dezintegrarea quarcurilor şi leptonilor masivi în quarcuri şi leptoni mai uşori. Când particulele fundamentale se dezintegrează, un fenomen ciudat are loc: observăm cum particula dispare şi este înlocuită de două sau mai multe particule diferite. Cu toate că totalul de masă şi energie se conservă, o parte din masa particulei originale este convertită în energie cinetică şi particulele rezultante au întotdeauna suma maselor mai mică decât masa particulei originale care s-a descompus.

Forta slaba

Forţa slabă

 

 

Dezintegrare imposibila in continuare

Singura materie stabilă din jurul nostru este alcătuită din cele mai uşoare quarcuri şi leptoni, care nu se pot descompune mai departe.

 

Când un quarc sau un lepton îşi schimbă tipul (de exemplu, un miuon care se schimbă într-un electron) se spune că îşi schimbă savoarea, sau aroma. Toate schimbările de "aromă" sunt datorate interacţiunii slabe. Particulele purtătoare ale interacţiunilor slabe sunt particulele W+, W- şi Z. W-urile sunt încărcate electric, iar Z este neutru. Modelul Standard a unit interacţiunile electromagnetice şi interacţiunile slabe într-una singură, denumită interacţiunea electroslabă.

 


"Aromele" quarcurilor

Arome quarcuri

Fiecare quarc are o anumită savoare (aromă sau tip), care este exact termenul pe care îl folosesc fizicienii pentru a face distincţia dintre cele şase tipuri de quarcuri. De exemplu, "aroma" unui quarc este pur şi simplu "up", "down", "charm", "strange", "bottom" sau "top".

Interacţiunile slabe mediate de particule încărcate electric (de particule W+ şi W-) şi numai ele pot schimba tipul (aroma) unei particule! Interacţiunile slabe care implică particula neutră Z nu pot schimba tipul unei particule.

Leptonii au şi ei o savoare. În plus, ei au număr pentru electron, miuon şi particula tau, după cum s-a menţionat mai devreme. În timp ce aroma leptonului este schimbată de către interacţiunile slabe, procesul conservă numerele electronului, miuonului şi particulei tau.


Forţa electroslabă

 

În Modelul Standard, interacţiunile slabă şi electromagnetică au fost combinate într-o teorie unificată electroslabă. Fizicienii au crezut mult timp că forţele slabe au o legătură strânsă cu forţele electromagnetice.

Forta electroslaba

Forţa electroslabă

 

Până la urmă ei au descoperit că la distanţe foarte scurte (aproximativ 10-18 metri), tăria interacţiei slabe este comparabilă cu cea a interacţiei electromagnetice. Pe de altă parte, la o distanţă de treizeci de ori mai mari decât precedenta (3x10-17 m), tăria interacţiunii slabe este de 10.000 mai mică decât cea a interacţiunii electromagnetice. La distanţe specifice quarcurilor aflate într-un proton sau neutron (10-15 m), forţa este chiar mai mică.

Fizicienii au ajuns la concluzia că forţa slabă şi cea electromagnetică au tării aproape egale. Acest lucru se întâmplă întrucât tăria unei interacţiuni depinde mult atât de masa particulei purtătoare de forţă, cât şi de distanţa interacţiunii. Diferenţa dintre tăriile lor observate este datorată marii diferenţe de masă dintre particulele W şi Z, care sunt foarte masive şi cea a fotonului, care nu are masă după câte ştim până acum.

 

Forţa gravitaţională

Gravitatia

Gravitaţia este ciudată. Este clar că ea este una dintre interacţiunile fundamentale, însă Modelul Standard nu poate să o explice satisfăcător. Aceasta este una dintre marile probleme fără răspuns ale fizicii din zilele noastre.

 

În plus, o particulă purtătoare a forţei gravitaţionale nu a fost încă găsită. Totuşi, se spune că o astfel de particulă există şi s-ar putea să fie găsită într-o zi: gravitonul.

Din fericire, efectele gravitaţiei sunt extreme de mici în majoritatea situaţiilor fizicii particulelor comparabil cu celelalte trei interacţiuni, astfel că teoria şi experimentul pot fi comparate fără a include gravitaţia în calcule. Astfel, Modelul Standard funcţionează fără a explica gravitaţia.

 

Încă şi mai detaliat

Ştim cum să calculăm forţele gravitaţionale, dar nu ştim cum să integrăm gravitaţia în matematica teoriei cuantice a Modelului Standard. (Faptul că încă nu am văzut gravitonul nu este o surpriză în Modelul Standard, întrucât gravitaţia are interacţiuni extrem de slabe, deci este rar produsă şi rar detectată.)

În acelaşi mod în care legile mecanicii ale lui Newton nu erau greşite, dar a fost nevoie să fie extinse de Einstein pentru a fi mai precise la viteze foarte mari, avem nevoie să extindem Modelul Standard cu o nouă teorie care va explica gravitaţia în profunzime.

 

Rezumat

Mai jos puteţi consulta un tabel care prezintă, în rezumat, diferitele interacţiuni fundamentale, particulele care mediază aceste interacţii şi particulele asupra cărora acţionează ele.

Sumar interactii fundamentale

 

Dezintegrări şi anihilări de particule (4)

 

Traducere de Simona Cioncade de pe Particle Adventure.