Modelul StandardPentru a explica cum detectăm ce se întâmplă într-un accelerator de particule, haideţi să ne uităm la cel mai cunoscut exemplu al acestei scheme de detecţie: modul în care noi percepem lumea. Principial, schema are la bază o sursă, o ţintă şi un detector.

 

 

Cum se testează o teorie în fizică? (6)

"Lumina", cum o numim noi, este alcătuită din miliarde şi trilioane de particule numite "fotoni". Fotonii, la fel ca toate particulele, au şi caracteristici de undă. Din această cauză, un foton deţine informaţie despre lumea fizică întrucât el interacţionează cu ceea ce atinge.

creier ochi

Creierul nostru analizează informaţia şi creează imaginea "mingii de tenis" în mintea noastră. Modelul nostru mental despre mingea de tenis ajută la descrierea realităţii din jurul nostru. Noi folosim informaţii de la unde de lumină ce ricoşează de colo colo în lumea noastră. Alte animale, precum delfinii şi liliecii, emit şi detectează unde sonore. De fapt, orice tip de undă care se reflectă poate fi folosită pentru a obţine informaţii despre ceea ce ne înconjoară.

 

Un microscop mai performant

Problema în privinţa utilizării undelor pentru a detecta lumea fizică este limitarea calităţii imaginii de către lungimea de undă pe care o foloseşti.

lungime de unda

Ochii noştri sunt făcuţi pentru a percepe lumina vizibilă, care are lungimi de undă în jurul a 0.0000005 metri. Aceasta este suficient de mică încât nu trebuie să ne facem griji despre problema rezoluţiei, deoarece privim lucruri de dimensiuni mult mai mari decât 0.0000005 metri.

Soare

Cu toate acestea, lungimea de undă a luminii vizibile este prea mare pentru a analiza orice este mai mic decât o celulă. Pentru a privi aceste lucruri mai mici, trebuie să priveşti cu lungimi de undă şi mai mici. De aceea se folosesc microscoapele cu electroni (scanning electron microscope) pentru a studia particule sub-microscopice, precum viruşii. Totuşi, chiar şi cel mai performant microscop cu electroni nu poate revela decât o imagine neclară a unui atom.

 

Lungimea de undă şi peştera

Gândeşte-te la ipoteza de a fi suficient de ghinionist pentru a ajunge într-o peşteră fără a fi în posesia unei lanterne. Să zicem însă că eşti atât de norocos încât să ai la tine un set de mingi de baschet fosforescente, când auzi brusc un mormăit. Este oare un urs însetat de sânge ori pur şi simplu prietenii tăi care se distrează pe seama dezorientării tale?

pestera

minge baschet

Pentru a elucida această dilemă, arunci disperat mingile în direcţia murmurului auzit şi ţii minte unde lovesc mingile. Astfel, deduci rapid forma fiinţei din faţa ta:

silueta mingi baschet

Dar vai! Din moment ce mingile sunt aşa de mari, tot ce poţi afla despre forma obiectului din care ricoşează este doar forma aproximativă a acestuia, adică o estimare grosolană privind înălţimea şi lăţimea lui. Ca prin minune însă, ai cu tine şi o geantă de mingi de tenis fosforescente. Le arunci în direcţia zgomotului şi eşti recompensat cu următoarea imagine:

minge de tenis

silueta mingi de tenis

Hmm... nici o îmbunătăţire semnificativă. Mingile de tenis sunt încă prea mari pentru a releva forma obiectului de care se lovesc. Ele oferă numai în linii mari forma acestuia. Aha! Ce noroc însă! Poate că geanta cu biluţe fosforescente este soluţia! Arunci aceste mingiuţe în direcţia creaturii şi observi că forma fiinţei din întuneric devine mai clară în mintea ta... Pare că e mare, cocoşat şi cu gheare imense. Ups, chiar e un urs!

bila fosforescenta

silueta bile fosforescente

Ultimul tău gând aşadar (dar ce revelaţie minunată!) este că ai întrebuinţat cel mai mic mijloc cu putinţă pentru a afla cel mai mult cu privire la destinul tău.
Nota bene! Niciun urs nu a fost rănit pe parcursul realizării acestei pagini web!

 

Învăţămintele despre lungimea de undă

Cele două învăţăminte ce trebuie trase din povestea precedentă sunt următoarele:
1. Nu arunca cu lucruri în urşi înfometaţi! :)
2. Pentru a obţine informaţii cât mai precise despre un obiect, foloseşte cele mai mici obiecte-sondă posibile.

O "lovitură" cu oricare dintre sonde arăta numai că există un urs acolo unde a lovit sonda. Dintre cele trei tipuri de sonde, biluţele cele mai mici au fost soluţia pentru a obţine cele mai concludente informaţii pentru că o "lovitură" ne spunea că un urs există într-o arie foarte precisă. Imaginea obţinută cu mingile de baschet era neclară pentru că exista o mare incertitudine despre forma reală a obiectului. Dar pe măsură ce foloseam sonde tot mai mici, imaginile deveneau tot şi tot mai "clare", experimentatorul putând fi din ce în ce mai sigur despre forma reală a obiectului, care până la urmă s-a dovedit a fi un urs. Această calitate - "claritatea" - este numită rezoluţia unei imagini.

silueta mingi de baschet
silueta bile fosforescente

Mingile mari (de baschet) nu ne oferă multe informaţii despre forma ursului, de aceea spunem că această imagine este neclară. Mingile mici (biluţele), în schimb, oferă informaţii mult mai precise despre forma ursului, de aceea spunem că este o imagine "clară".

 

Lungimea de undă şi rezoluţia

Lucrurile cu lungimi de undă mari sunt asemenea mingilor de baschet în povestea cu peştera întrucât nici una dintre ele nu poate da prea multe detalii despre ceea ce lovesc. Lucrurile cu lungimi de undă mici sunt ca biluţele fosforescente, putând sa furnizeze informaţii destul de detaliate despre ceea ce lovesc. Cu cât este mai mică lungimea de undă a particulei de test, cu atât mai multe informaţii poţi obţine despre ţintă.

piscina

Un bun exemplu pentru problema lungimii de undă vs. rezoluţia este bazinul de înot. Dacă ai un bazin de înot cu valuri aflate la o distanţă de un metru (o lungime de undă de un metru) şi împingi un băţ în apă, valurile din bazin vor trece pe lângă băţ întrucât o lungime de undă de un metru înseamnă că valurile nu vor fi afectate de o asemenea ţintă nesemnificativă.

Toate particulele au proprietăţi de undă. Deci când folosim particule de test trebuie să folosim particule cu lungimi de undă scurte pentru a obţine informaţii cât mai detaliate. Ca o regulă aproximativă, o particulă poate testa doar până la distanţe egale cu propria lungime de undă. Pentru a testa la scări mai mici, lungimea de undă a particulei de test trebuie să fie mai mică.

 

Acceleratorul de particule (cel mai performant microscop)

Fizicienii nu pot folosi lumina pentru a explora domeniul subatomic pentru că lungimea de undă a acesteia este prea mare. Totuşi, cum TOATE particulele au proprietăţi ondulatorii, ei pot folosi particule ca sonde. Pentru a observa cele mai mici particule este nevoie de particulele cu cea mai mică lungime de undă posibilă. Majoritatea particulelor din jurul nostru au însă lungimi de undă destul de mari. Cum fac fizicienii să micşoreze lungimea de undă a unei particule astfel încât să poată fi folosită ca particulă de test?

electron si quarc

Impulsul unei particule şi lungimea ei de undă sunt invers proporţionale. Acest principiu este aplicat în fizica energiilor înalte, unde sunt folosite acceleratoare de particule pentru a mări impulsul particulelor-sondă, deci micşorându-le lungimea de undă.

 

impuls si lungime de unda

 

Paşii pentru studiul celor mai mici componente ale materiei:

1. Introduceţi particula într-un accelerator.

2. Daţi particulei un impuls mare, accelerând-o până aproape de viteza luminii.

3. Cum particula are acum un impuls mare, lungimea ei de undă este foarte mică.

4. Loviţi această particulă-sondă de o ţintă şi înregistraţi ce se întâmplă.

 

Unde şi particule

interferenta unde

Una dintre cele mai importante proprietăţi ale undelor este că atunci când două unde trec una pe lângă cealaltă, efectele lor se adună. Acest fenomen se numeşte interferenţă.

experiment 2 fante

Să ne imaginăm o sursă de lumină blocată de o foiţă din metal cu două tăieturi. Câţiva metri mai departe e un ecran. Pentru un anume punct de pe ecran există două unde de lumină care lovesc ecranul (una prin fiecare gaură). Aceste două unde traversează distanţe diferite pentru a ajunge la ecran, aşa ca interferează una cu alta, producând un model de interferenţă.

S-a constatat că dacă pentru un experiment similar se foloseşte o undă de particule în locul sursei de lumină, se înregistrează un model similar de interferenţă. Aceasta înseamnă că toate particulele au proprietăţi de undă. De exemplu, iată un model de interferenţă real produs de împrăştierea unor electroni pe o foiţă de aur.

interferenta

Este un concept foarte ciudat: faptul că particulele materiei solide sunt în realitate la fel ca undele este contraintuitiv, dar iată că particulele materiei au lungimi de undă şi pot să interfereze unele cu celelalte.

 

Diferite ordine de mărime

comparatie dimensiuni

Această imagine reprezintă o riglă gradată pe care sunt reprezentate ordine de mărime ca puteri ale lui zece. După cum se poate vedea, există felurite moduri de a vedea lumea pentru fiecare scară (dimensiune) la care privim.

 

Masă şi energie

Destul de des, fizicienii doresc să studieze particule masive şi instabile, care au doar o existenţă efemeră, de exemplu quarcul top. Cu toate acestea, în viaţa de zi cu zi suntem înconjuraţi doar de particule cu masă mică. Cum se poate realiza acest lucru fascinant, şi anume a folosi particule cu masă mică pentru a obţine particule cu masă mai mare?

echivalenta masa-energie

Ştiţi faimoasa ecuaţie a lui Albert Einstein, E=mc2, unde E este energia, m este masa, iar c este viteza luminii... Aşadar, masa este doar o formă de energie!

 

Conversia masă-energie

Când un fizician doreşte sa folosească particule cu masă mică pentru a produce particule cu masă mai mare, tot ceea ce trebuie să facă este să pună particulele de masă mică într-un accelerator, să le transfere energie cinetică (pentru a le creşte enorm viteză) şi apoi să le ciocnească. Pe parcursul ciocnirii, energia cinetică a particulelor este convertită în particule masive. Prin acest proces putem crea particule masive instabile şi le putem studia proprietăţile.

conversia masa-energie

Folosind o metaforă foarte plastică, am putea compara coliziunile de particule de mare energie cu ciocnirea a două căpşuni în urma căreia ar rezulta alte câteva căpşuni noi, o mulţime de fulgi de porumb, o banană, câteva pere, un măr, o castană şi o prună.

Accelerarea particulelor (8)

Traducere de Ileana Constantinescu şi Adrian Buzatu de pe Particle Adventure.