Tipărire
Categorie: Fizica nucleară şi fizica particulelor
Accesări: 3170

Modelul StandardModelul standard răspunde multor întrebări legate de structura şi stabilitatea materiei, cu cele şase tipuri de quarcuri, şase tipuri de leptoni şi cele patru forţe ale sale. Dar Modelul Standard nu este complet, căci există încă multe întrebări fără răspuns.

 

 

 

Dezintegrări şi anihilări de particule (4)

 

Univers de materie
În acest Univers doar materia poate intra direct. Antimateria trebuie să se înscrie pe lista de oaspeţi.

 

De ce observăm materia şi aproape deloc antimateria dacă credem că există o simetrie între cele două în Univers? Ce este această „materie întunecată” despre care nu vedem decât că are efecte gravitaţionale vizibile în Cosmos? De ce Modelul Standard nu poate să prezică masa unei particule? Sunt quarcurile şi leptonii într-adevăr fundamentali, sau sunt constituiţi la rândul lor din alte particule fundamentale? De ce există exact trei generaţii de quarcuri şi leptoni? Cum se integrează gravitaţia în toate acestea?

 

quarc
Hei, dacă nici eu nu sunt fundamental, atunci cine mai este? (strigă un quarc)

 

Modelul Standard ca teorie
 
Deşi Modelul Standard oferă o foarte bună descriere a fenomenelor observate prin experimente, totuşi această teorie nu este completă. Problema este că Modelul Standard nu poate explica de ce unele particule sunt în starea actuală. De exemplu, atunci când fizicienii cunoşteau masele tuturor quarcurilor cu excepţia quarcului top, ei nu au putut să prezică clar ce masă are quarcul top. Abia când a fost descoperit şi i-a fost măsurată masa au ştiut-o. Aceasta înseamnă că masa particulelor este un “parametru liber” în teorie, adică nu este fixată de teorie, iar teoria ar explica Universul cu orice masă ar avea particulele. Atunci, de ce toate aceste particule au masa pe care o au?

Aceasta înseamnă că modelul standard e greşit? Nu, dar înseamnă că trebuie să mergem dincolo de Modelul Standard la fel cum Teoria Relativităţii a lui Einstein a extins legile mecanicii lui Newton. Legile mecanicii lui Isaac Newton nu sunt greşite, dar teoria lui funcţionează doar în anumite condiţii, anume doar atâta timp cât viteza obiectului studiat este mult mai mică decât viteza luminii. Einstein a extins fizica newtoniană cu Teoria Relativităţii, teorie care explică şi cazurile când obiectul de studiu are viteză foarte mare, comparabilă cu viteza luminii. Va trebui să extindem Modelul Standard cu ceva nou în totalitate, pentru a explica în amănunt masa, gravitaţia şi alte fenomene.

Einstein

Mă întreb cum vom decide să numim noua teorie care va înlocui Modelul Standard! Modelul de Model? Modelul Standard de Standard? Modelul de model standard? Modelul Super-Standard? Noul Model Standard Revizuit? Modelul Foarte Standard? (Atenţia, Modelul Standard a fost creat la douăzeci de ani după ce a murit Einstein, poza este înşelătoare!)

 

De ce exact trei generaţii de particule fundamentale ale materiei?

generatii de particule

Există trei perechi de quarcuri şi trei perechi de leptoni. Un grup format din o anumită pereche de quarcuri şi o anumită pereche de leptoni se numeşte o generaţie, sau o familie. Prima generaţie cuprinde quarcurile up (u, sus) şi down (d, jos), precum şi electronul şi neutrinul electronic.

De ce însă există nici mai mult nici mai puţin decât trei generaţii ale materiei? Particulele din generaţia a treia au mase mai mari decât particulele lor corespondente din generaţia întâi, iar particulele din generaţia a treia au mase mai mari decât particulele din generaţia a doua. Astfel, particulele tind să se dezintegreze în particule din generaţia “de dedesubt”. Prin urmare, în viaţa de zi cu zi observăm numai particule din prima generaţie (electroni, quarcuri up şi quarcuri down). Nu înţelegem de ce Lumea are aşadar “nevoie” de existenţa celorlalte două generaţii şi de ce există nici mai mult nici mai puţin decât trei generaţii.

 

De ce au particulele masă?

balanta mase

Modelul Standard nu poate explica de ce o particulă are o anumită masă. De exemplu, atât fotonul, cât şi particula W sunt particule purtătoare de forţă. De ce atunci fotonul nu are masă şi particula W nu doar că are masă, dar este foarte masivă (de aproape 80 de ori masa protonului)?

Fizicienii au teoretizat existenţa asa-zisului câmp Higgs, care este cooptat în teoria Modelului Standard pentru a explica principiul prin care particulele pot obţine masă. Atenţie! Bosonul Higgs tot nu are explică de ce particulele au masa pe care o au! Câmpului Higgs îi trebuie o particulă, bosonul Higgs. Bosonul Higgs nu a fost încă observat, dar fizicienii îl caută cu mare entuziasm (n.red. - articolul original a fost scris înainte de descoperirea bosonului Higgs).

 

Se pot unifica toate forţele într-una singură?
 
Astăzi, unul din principalele scopuri ale fizicii particulelor este acela de a unifica diferitele forţe fundamentale într-o Mare Teorie Unificată care ar putea oferi o înţelegere mai elegantă a organizării Universului. O astfel de simplificare a Modelului Standard ne-ar putea ajuta să răspundem la întrebările noastre şi să ne îndreptăm asupra unor viitoare arii de studiu.

În 1865, James Maxwell a făcut un mare pas în acest sens atunci când a unificat forţa electrică şi forţa magnetică în forţa electromagnetică. În anii 1960-1970, fizicienii au realizat că la energii înalte forţa electromagnetică şi forţa slabă sunt aspecte ale aceleiaşi forţe, numite forţa electroslabă.

Einstein
La naiba! Aproape că o rezolvasem şi pe asta! (În ultimii săi ani, spre 1950, Einstein a încercat, dar a eşuat, să scrie o teorie care unifică gravitaţia şi electricitatea.)

Fizicienii speră că o Mare Teorie Unificată va unifica forţa tare cu forţa electroslabă. Au fost propuse câteva Teorii Unificate, dar avem nevoie de date experimentale pentru a alege, dacă este cazul, care dintre aceste teorii descrie natura.

Unificand fortele

Dacă este posibilă o Mare Unificare a tuturor interacţiunilor, atunci toate interacţiunile (sau toate forţele) pe care le observăm sunt aspecte diferite ale aceleiaşi interacţiuni unificate. Totuşi, cum ar putea să se întâmple aceasta de vreme ce interacţiunile tari, slabe şi electromagnetice sunt atât de diferite în putere şi în efect? Ciudat dar adevărat, dar datele şi teoriile curente sugerează faptul că aceste forţe se unesc într-o singură forţă atunci când particulele studiate au o energie suficient de ridicată.

Diverse modele despre o Mare Teorie Unificată sugerează existenţa unei alte particule purtătoare de forţă, care determină chiar şi protonul, care este stabil (adică are o durată de viaţă infinită) în Modelul Standard să se dezintegreze. Asemenea dezintegrări ar fi însă extrem de rare, iar durata de viaţă a unui proton ar fi de peste 1032 de ani (faţa de infinit cât ar avea în cadrul Modelului Standard şi faţă de 1017 cât este vârsta Universului).

 

Este corectă teoria supersimetriei?

Unii fizicieni, în încercarea de a unifica gravitaţia cu alte forţe fundamentale, au ajuns la o prezicere surprinzătoare: fiecare particulă fundamentală de materie ar trebui să aibă un partener din umbră reprezentat de o particulă masivă mediatoare de forţă, iar fiecare particulă purtătoare de forţă ar trebui să aibă un partener din umbră drept o particulă masivă de materie. Această relaţie între particulele de materie şi cele purtătoare de forţă se numeşte supersimetrie. Partenerii particulelor din Modelul Standard au acelaşi nume, dar cu un “s” de la “supersimetrie” în faţă. De exemplu, pentru fiecare tip de quarc poate exista un tip de particulă numită “squarc”.

supersimetrie
Încă nu s-a găsit nicio particulă supersimetrică (jos) parteneră a particulelor de materie (sus), dar experimentele actuale de la Fermilab şi din 2008 de la CERN şi la Fermilab le caută neîncetat.

 

Este corectă teoria corzilor?
 
Fizica modernă are teorii bune pentru mecanică, relativitate şi gravitaţie. Dar aceste teorii nu prea “comunică” între ele. Există probleme cauzate de traiul nostru în trei dimensiuni spaţiale. Dacă am trăi în mai mult de trei dimensiuni, aceste probleme s-ar rezolva în mod natural.
teoria corzilor

Teoria corzilor, una dintre propunerile recente ale fizicii moderne, sugerează faptul că într-o lume cu trei dimensiuni ordinare şi câteva dimensiuni suplimentare foarte “mici”, particulele nu mai sunt punctiforme (de dimensiune zero), ci sunt corzi (de dimensiune unu) şi membrane. Membrane în extra dimensiuni? Ciudat şi greu de vizualizat. Şi ce anume ar fi “dimensiunile mici”?

 

Există dimensiuni suplimentare?

Teoria corzilor şi alte propuneri noi necesită mai mult de trei dimensiuni. Aceste extra dimensiuni pot fi foarte mici, de aceea noi nu le vedem.

Cum ar putea exista dimensiuni suplimentare mai mici? Gândiţi-vă la un acrobat şi o buburuză pe o frânghie. Acrobatul se poate mişca numai înainte şi înapoi de-a lungul frânghiei. Dar buburuza se poate mişca înainte şi înapoi, precum şi în lateral, în jurul frânghiei. Dacă buburuza continuă să se deplaseze într-o parte, ea va înconjura frânghia şi va ajunge de unde a plecat. Deci acrobatul se poate deplasa în o singură dimensiune, iar insecta în două dimensiuni, dar una dintre aceste dimensiuni este o buclă mică, închisă.

Deci acrobatul nu poate să detecteze mai mult decât acea unică dimensiune a frânghiei, la fel cum noi vedem lumea doar în trei dimensiuni, deşi ar putea exista mult mai multe. Aceasta este imposibil de vizualizat, tocmai pentru că noi putem vizualiza lucrurile doar în trei dimensiuni!

acrobat
Un acrobat se poate deplasa numai în o dimensiune, în timp ce buburuza se poate deplasa în două dimensiuni.

 

Ce este materia întunecată?

Sunteţi gata pentru o idee cu adevărat năucitoare? Marea majoritate a Universului poate să nu fie alcătuită din acelaşi tip de materie ca şi Pământul. Deducem din efecte gravitaţionale prezenţa unei materii întunecate, un tip de materie pe care nu o putem vedea. Există sugestii puternice că ea ar putea să nu fie formată din protoni, neutroni şi electroni.

Ce este atunci materia întunecată? Nu ştim. Poate că este compusă din neutrini, sau forme de materie încă şi mai exotice, cum sunt neutralinii, unele dintre particulele prezise de supersimetrie.

materie intunecata
OK…care din voi, şmecherilor, este responsabil pentru materia întunecată?

Cum se testează o teorie în fizică? (6)




Traducere de Irina Joantă de pe  Particle Adventure.