Modelul StandardCa urmare a numeroaselor descoperiri, au apărut alături de fizica moleculară şi fizica atomică noi domenii ale fizicii: fizica nucleară şi fizica particulelor elementare. Va urma un şir lung de descoperiri în domeniul particulelor, care se succed cu repeziciune.

 

 

 

Modelul atomic modern - continuare (6)


În 1936, cel care a descoperit pozitronul, C.D. Anderson, descoperă în razele cosmice particula miuon sau muon (μ-). Miuonii sunt creaţi încontinuu în straturile superioare ale atmosferei, în urma ciocnirilor moleculelor de aer cu razele cosmice. Aceste particule elementare sunt asemănătoare electronului, dar mai grele şi instabile, având sarcina negativă şi spinul ½. Miuonii fac parte din clasa fermionilor, subclasa particulelor uşoare, leptoni. Existenţa miuonului a fost confirmată în 1937, independent, de către Jabez C. Street şi C.E. Stevenson în experimentele cu camera cu ceaţă.

În 1939, chimiştii germani Otto Hahn (1879-1968), Fritz Strassmann (1902-1980) şi fizicianul austriac Lise Meitner (1878-1968) fac revoluţionara descoperire a fisiunii nucleare.

În 1941, fizicianul american Donald William Kerst (1911-1993) construieşte primul betatron, un accelerator ciclic utilizat pentru a imprima energii foarte mari electronilor. Sub coordonarea lui Enrico Fermi se construieşte şi se pune în funcţiune, în 1942, la Chicago, primul reactor nuclear (pilă atomică).

În 1947, printr-o experienţă bazată pe tehnica microundelor, Willis Eugene Lamb (1913-2008) şi Robert Curtis Retherford (1912-1981) au pus în evidenţă ceea ce se numeşte deplasarea Lamb. Deplasarea Lamb este o deplasare suplimentară a nivelelor energetice ale electronilor de atomi, faţă de cele calculate prin teoria cuantică relativistă a lui Paul Dirac. Toate diferenţele, între nivelele structurii fine a atomilor, având aceleaşi numere cuantice n şi j, dar având numărul cuantic orbital l diferit, poartă numele de deplasare Lamb. Teoretic, această deplasare poate fi explicată numai în cadrul electrodinamicii cuantice. Experimentul lui Lamb şi Rutherford a constituit un pas decisiv pentru dezvoltarea acestui domeniu nou al fizicii cuantice. Electrodinamica cuantică (QED), teorie cuantică relativistă a electrodinamicii, descrie modul în care lumina şi materia interacţionează; este prima teorie care realizează un acord deplin între mecanica cuantică şi teoria relativităţii speciale [c]. Dintre fizicienii care şi-au adus un aport deosebit la dezvoltarea acestui domeniu din fizică, cei mai cunoscuţi sunt Julian Seymour Schwinger (1918-1994), Richard Phillips Feynman (1918-1988) din SUA şi Sin-Itiro Tomonaga (1906-1979) din Japonia. Ei au fost răsplătiţi cu Premiul Nobel pentru Fizică, în 1965, "pentru munca depusă la fundamentarea electrodinamicii cuantice, cu consecinţe profunde pentru fizica particulelor elementare".


În 1956, fizicienii americani Clyde Lorrain Cowan (1919-1974) şi Frederick Reines (1918-1998) fac dovada existenţei neutrinilor. Neutrinii şi antiparticulele lor - antineutrinii, se emit simultan de către nucleele radioactive, dar ei apar şi în timpul dezintegrării unor mezoni. În 1962, Leon Max Lederman (n. 1922), Melvin Schwartz (1932-2006) şi Jack Steinberger (n. 1921), au publicat în Physical Review Letters un material în care descriu observaţiile lor privind o nouă particulă, care se va dovedi a fi particula denumită neutrino miuonic (νμ) sau miuon neutrino. Astăzi se cunosc trei tipuri de neutrini: neutrin electronic (νe), neutrin miuonic (νμ) şi neutrin tau (ντ), cu antiparticulele lor. Neutrinii sunt particule elementare cu masă neglijabilă şi, aşa cum rezultă şi din denumire, sunt neutrii din punct de vedere electric. Dar proprietatea specifică a neutrinului este interacţiunea sa deosebit de slabă cu materia: este cea mai slabă interacţiune din toate interacţiunile cunoscute ale fizicii nucleare. De aceea, deşi este foarte răspândit, detectarea neutrinului este extrem de dificilă, el putând să străbată toate corpurile, dar fără a interacţiona cu acestea şi fără a întâmpina vreo piedică.

În 1964, Murray Gell-Mann (n.1929) propune modelul quarcurilor şi, în cadrul modelului său, prezice existenţa unei particule numită ulterior omega minus (Ω-). Particula va fi descoperită mai târziu. Modelul quarcurilor admite că fotonii şi leptonii sunt particule simple, în schimb hadronii sunt particule formate din alte particule, mai simple, numite quarcuri. Există trei generaţii de quarcuri, alcătuind dubletele: prima generaţie „up” şi „down” (u,d); a doua generaţie „charm” şi „strange” (c,s) şi a treia generaţie „top” şi „bottom” (t,b).

Prima confirmare a teoriei quarcurilor a venit în 1968, în urma unui experiment desfăşurat la acceleratorul SLAC al Universităţii Stanford, când a fost confirmată experimental existenţa quarcurilor „up” şi „down”. Murray Gell-Mann a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1969.

După succesul înregistrat de electrodinamica cuantică, în anii ’50, câţiva dintre fizicieni şi-au îndreptat atenţia spre găsirea unei teorii de unificare a interacţiei electrodinamice cu interacţia slabă. Unificarea celor două interacţii (sau interacţiuni) într-o singură interacţie, cea electroslabă, va fi realizată în 1967 de fizicienii Sheldon Lee Glashow (n. 1932), Steven Weinberg (n. 1933) şi Mohammad Abdus Salam (1926-1996). Teoria lor a constituit primul pas către formularea Modelului Standard. Cei trei fizicieni  au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1979. Descoperirea experimentală în 1973 a bosonului Z a confirmat viabilitatea teoriei electroslabe.

Cercetarea radiaţiilor cosmice, dar mai ales experimentele din centrele de cercetare dotate cu acceleratoare de particule de mare putere, a dus la descoperirea a foarte multe particule, peste 150 până în prezent.

La 4 iulie 2012, Organizaţia Europeană pentru Cercetare Nucleară - CERN anunţa descoperirea cu o probabilitate de 99,9999% a unei noi particule: bosonul Higgs, cunoscută şi sub numele de „particula Dumnezeu". Această particulă are o importanţă deosebită, căci ea explică de ce au particulele masă.  Munca depusă de numeroşi cercetători, de-a lungul a mulţi ani, pentru descoperirea particulelor din natură, s-a concretizat în Modelul Standard. Acesta se vrea a fi un tablou al tuturor particulelor sub-atomice cunoscute şi a interacţiunilor dintre ele.

Un postulat foarte important din fizică spune că în natură nu pot exista decât două stări: stări simetrice şi stări antisimetrice. Stările care nu aparţin uneia sau alteia din aceste clase nu se pot realiza în natură. După cunoştinţele din prezent, în Univers există două tipuri de particule: bosonii, care se pot găsi exclusiv în stări simetrice şi constituie forma de materie numită câmp; fermionii care nu se pot găsi decât în stări antisimetrice, sunt supuşi interdicţiei Pauli şi alcătuiesc forma de materie numită substanţă [5].

Pe măsură ce s-au adunat dovezi experimentale şi teoretice, a devenit din ce în ce mai clar că Universul trebuie să fi avut un început în timp, până ce în 1970 acest lucru a fost dovedit de Penrose împreună cu Hawking, pe baza teoriei generale a relativităţii a lui Einstein. Demonstraţia a arătat că relativitatea generalizată este doar o teorie incompletă: ea nu ne poate spune cum a început Universul, deoarece ea prezice că toate teoriile fizice, inclusiv ea însăşi, nu mai funcţionează la începutul Universului. Totuşi, relativitatea generalizată pretinde a fi numai o teorie parţială, astfel că ceea ce arată în realitate teoremele singularităţilor este că trebuie să fi fost un timp în universul foarte timpuriu când universul era atât de mic, încât nu se mai pot ignora efectele la scară mică ale celeilalte mari teorii parţiale a secolului XX, mecanica cuantică [10].

În „Cursul de fizică Berkeley”, vol. IV, Eyvind H. Wichmann, spune: „...În ciuda multor încercări ale lui Einstein şi ale altora, nu a fost posibil, până acum, de a include în mod firesc celelalte forţe din natură în cadrul acestei teorii. Fenomenul gravitaţiei rămâne complet deoparte de interacţiile care guvernează structura materiei la scară microscopică; gravitaţia se prezintă ca neavând nici o legătură cu microfizica. Putem doar spera că în viitor, cândva, se va reuşi să se găsească o punte de legătură între subiectele aparent distincte ale microfizicii şi gravitaţiei, dar în prezent nu avem vreo indicaţie de cum ar putea fi realizată o punte de legătură”.

Unificarea celor două teorii parţiale - teoria relativităţii şi teoria cuantică, într-o unică teorie generală a naturii, rămâne în continuare o provocare pentru fizicieni.





Bibliografie:

1. Albert Einstein „Teoria relativităţii pe înţelesul tuturor”, Editura Humanitas, 2005;
2. Albert Einstein „Cum văd eu lumea”, Editura Humanitas, 2010;
3. Eyvind H. Wichmann „Cursul de fizică Berkeley. vol. IV - Fizica cuantică”, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1983;
4. Ion Bunget, coordonator colectiv „Compendiu de fizică”, Editura Ştiinţifică, Bucureşti, 1972;
5. George C. Moisil „Cascada modelelor în fizică”, Editura Albatros, Bucureşti, 1985;
6. Gheorghe Huţanu „Principii şi legi fundamentale în fizică”, Editura Albatros, Bucureşti, 1983;
7. Ion Bunget, coordonator colectiv „Compendiu de fizică”, Editura Ştiinţifică, Bucureşti, 1972;
8. Michael Lockwood „Labirintul timpului”, Editura Tehnică, Bucureşti, 2008;
9. Roger Penrose „Mintea omenească între clasic şi cuantic”, Editura Tehnică, Bucureşti, 1999;
10. Stephen W. Hawking  „Scurtă istorie a timpului. De la Big Bang la găurile negre”  Ediţia a III-a, Editura Humanitas, Bucureşti, 2001;
11. Traian I. Creţu, Ştefan Şt. Tudorache „Fizica atomului”, Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică, Bucureşti, 1985
12. Academia R.P.R., Dicţionar Enciclopedic Român, vol. I-III, Editura Politică, Bucureşti, 1962-1965;

[a] http://en.wikipedia.org/wiki/Matrix_mechanics
[b] http://www.vigyanprasar.gov.in/scientists/PAMDirac.htm
[c] http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_electrodynamics
[d] http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model
[e] http://en.wikipedia.org/wiki/Z_boson
[f] http://www.parsec.ro/tag/particule-elementare/