Tipărire
Categorie: Fizica nucleară şi fizica particulelor
Accesări: 6980

Particulele elementarePrin multitudinea de particule care fac parte din lumea subatomică (miuoni, neutrini, particule supersimetrice, celebrul boson Higgs) nu este de mirare că fizica teoretică poate fi uneori derutantă. Din acest motiv noi am realizat acest ghid simplu (rezonabil de simplu) ce cuprinde toate particulele elementare. Ghidul obţinut conţine, aşa cum vă puteţi imagina, un subiect destul de amplu aşa încât noi l-am împărţit în (cel puţin) două părţi.

 

 

Astăzi noi ne vom ocupa doar de particulele de care fizicienii sunt siguri (sau, cel puţin, aproape siguri) că există şi apoi vom analiza o lume chiar mai ciudată ce cuprinde particulele care se consideră că ar putea exista pe baza ipotezelor emise de către oamenii de ştiinţă. Am realizat, de asemenea, un scurt rezumat ce cuprinde lista tuturor particulelor elementare şi cele mai importante caracteristici ale acestora pe care o puteţi găsi aici: Particulele elementare. Dar pentru a înţelege ce reprezintă toate acestea cu adevărat, trebuie să citiţi mai departe prezentarea de faţă.

Noţiunile de bază: este timpul să ne reamintim de fizica din liceu

Deoarece există atât de multe moduri diferite de a organiza particulele subatomice, în funcţie de proprietăţile specifice de care suntem interesaţi, sarcina noastră nu este una uşoară. Deci, să mergem înapoi la fizica din liceu şi să începem cu cele trei categorii de particule subatomice de care cei mai mulţi oameni au auzit: electronii, protonii şi neutroni, cele trei componente din cadrul oricărui atom. Această caracteristică înseamnă că aceste trei componente sunt blocurile de bază din cadrul unei părţi importante din materie, ne referim aici la materia obişnuită şi nu la materia întunecată.

Oamenii au încercat să descopere cea mai mică formă posibilă de materie încă de pe vremea grecilor antici, cuvântul „atom" îşi are originea din cuvântul grecesc ce înseamnă „indivizibil." Desigur, activitatea unor fizicieni de la începutul secolului XX, precum J.J. Thomson şi Ernest Rutherford, a dovedit că, de fapt, atomul este divizibil, dar a trebuit să aşteptăm până la sfârşitul anilor 1960 atunci când oamenii de ştiinţă au descoperit că atât protonii cât şi neutronii sunt particule compozite ce au rezultat din unirea unor particule şi mai mici denumite quarcuri.

În acest fel am identificat una dintre cele mai importante proprietăţi ale particulelor subatomice: unele dintre ele sunt particule elementare, cum ar fi electronii şi quarcurile iar altele sunt particule compozite, precum protonii şi neutronii. Particule elementare nu au o structură internă şi nu conţin nicio componentă mai mică în cadrul lor... cel puţin în conformitate cu ceea ce fizicienii pot afirma în prezent. Acesta este momentul în care teoria corzilor intră în acţiune, dar, deoarece ne dorim să realizăm doar o prezentare şi nu să scriem o carte întreagă, vom lăsa la o parte acum acest subiect.

Să continuăm. Una dintre proprietăţile cele mai importante ale electronilor, protonilor şi neutronilor este reprezentată de sarcina lor electrică. Electronii au o sarcină electrică negativă, protonii conţin o sarcină electrică pozitivă iar neutronii sunt, aşa cum era de aşteptat, neutri din punct de vedere electric. Forţa electromagnetică de atracţie dintre protoni şi electroni este cea care menţine stabilitatea atomilor iar sarcina electrică diferită a unor ioni este cea care determină ca atomii să se unească în cadrul unor molecule. Dar haideţi să rămânem la un nivel subatomic.

Quarcuri cu diferite arome

Un alt aspect important ce trebuie reţinut este că toate particulele trebuie să aibă o sarcină electromagnetică având valoarea -1, 0 sau 1, reprezentând sarcina electrică a electronilor, neutronilor şi, respectiv, a protonilor. (De fapt, unele particule pot avea o sarcină electrică de 2 sau -2, dar important este că toate sarcinile trebuie să fie întregi iar -1, 0 şi 1 sunt, de departe, cele mai întâlnite valori). Oricum, până aici totul a fost destul de simplu, nu? Bine, pentru că urmează să te contrazic.

Aşa cum am spus, protonii şi neutronii sunt alcătuiţi din diferite combinaţii ale quarcurilor. Aceştia fac parte din grupul celor trei tipuri de particule elementare cunoscute. Există şase tipuri (sau arome) de quarcuri, din care o jumătate sunt de tipul quarcului up având o sarcină electrică pozitivă şi cealaltă jumătate sunt de tipul quarcului down având o sarcină electrică negativă. Iată care este lista aromelor şi a sarcinilor electrice asociate: quarcurile up, charm şi top au o sarcină electrică de +2/3, în timp ce quarcurile down, strange şi bottom au o sarcină electrică de -1/3.

Îmi imaginez că aţi observat contradicţia. Am spus anterior ca toate particulele au o sarcină electrică întreagă de -1, 0, sau 1, dar toate aceste quarcuri au sarcini electrice fracţionare. Ce înseamnă asta? Această caracteristică se datorează faptului că quarcurile nu pot exista independent în natură. Un quarc se găseşte întotdeauna în combinaţie cu unul sau două quarcuri. Legăturile dintre quarcuri sunt realizate prin intermediul forţei nucleare tari şi ele formează hadroni, un termen pe care s-ar putea să-l recunoaşteţi după numele acceleratorului de particule Large Hadron Collider al CERN. Trebuie remarcat faptul că quarcurile au existat şi în mod independent sub forma unor particule libere ce au o sarcină electrică fracţionată. Dar acest lucru a avut loc doar în primele 10-12 secunde ale Universului, atunci când legile fizicii nu acţionau în modul în care o fac în prezent.

Hadronii reprezintă marea majoritate a particulelor compozite, printre care se numără şi protonii şi neutronii. În particular, un proton este format din două quarcuri up şi un quarc down, ceea ce înseamnă că sarcina sa electrică va fi +1 (deoarece 2/3+2/3-1/3=1). Neutronii au o structură opusă, care este formată dintr-un quarc up şi două quarcuri down, ceea ce reprezentă o sarcină electrică neutră (deoarece 2/3-1/3-1/3=0). Puteţi vedea un proton în imaginea de deasupra şi un neutron în imaginea de mai jos. Orice hadron care este alcătuit din trei quarcuri este cunoscut sub numele de barion. Vom vorbi şi despre alte tipuri de hadroni, dar mai întâi să revenim la electroni.

 

Electroni, neutrini şi alţi leptoni

Electronii sunt cei mai bine cunoscuţi reprezentanţi ai unui alt grup important de particule elementare denumite leptoni. La fel ca în cazul quarcurilor, există şase arome ale leptonilor. Aceste arome pot fi grupate în cadrul a trei generaţii, în care reprezentanţii unei generaţii sunt mult mai masivi decât cei ai unei generaţii anterioare. Aceeaşi caracteristică se constată şi în cazul quarcurilor, quarcurile up şi down sunt cei mai uşori, urmează apoi quarcurile charm şi strange şi apoi quarcurile top şi bottom. Doar cei mai uşori reprezentanţi ai leptonilor şi ai quarcurilor sunt stabili, ceea ce explică de ce quarcurile up şi down formează protonii şi neutronii şi de ce electronii se află în cadrul atomilor şi nu omologii lor mai grei.

Care sunt cele 6 arome ale leptonilor? Ştiţi deja de electron şi, probabil, aţi auzit de alt membru al generaţiei sale numit neutrinul. Neutrinul sau, mai precis, neutrinul electronic este o particulă aproape lipsită de masă ce a fost propusă de Wolfgang Pauli, în anul 1930, pentru a ţine cont de o uşoară reducere a energiei totale şi a impulsului din cadrul unui proces cunoscut sub numele de dezintegrare beta, în care un neutron se dezintegrează într-un electron, un proton şi un neutrino. (Tehnic vorbind, este vorba, de fapt, de un antineutrin care este emis, dar haideţi să păstram acest exemplu cât de simplu putem.)

Electronul şi neutrinul electronic formează prima generaţie de leptoni iar celelalte generaţii de leptoni sunt compuse din miuon şi neutrinul miuonic şi, respectiv, tauon împreună cu neutrinul tauonic. Electronul, miuonul şi tauonul au cu toţii sarcina electrică -1, în timp ce cei trei neutrini nu au sarcină electrică. În concluzie, quarcurile şi leptonii formează împreună grupul de particule cunoscute sub numele de fermioni. Fermionii sunt particule elementare care au masă şi intră în componenţa materiei. Deci, ce putem spune despre ultimul grup al particulelor elementare care nu intră în componenţa materiei?

Creatorii forţelor: bosonii

Aceştia sunt bosonii şi ei sunt responsabili de apariţia forţelor fundamentale ale Universului. Am menţionat deja câteva dintre ele, forţa electromagnetică, forţa nucleară tare şi forţa nucleară slabă, care este în cea mai mare parte responsabilă pentru procesul de dezintegrare beta de care tocmai am discutat.

(Ar trebui să menţionez aici că există două tipuri de bosoni. Bosonii care sunt particule elementare şi cei care sunt particule compozite. Bosonii elementari sunt cei mai importanţi pentru discuţia noastră şi în continuare voi folosi termenul de „boson" ca o prescurtare a denumirii de boson elementar. Bosonii din categoria celor compoziţi acţionează într-un mod mai complicat, dar nu trebuie să ne preocupe aici aceste detalii).

Toate aceste forţe produc câmpurile prin care particulele de materie se deplasează iar bosonii sunt cei care transmit forţele fundamentale dintre particulele de materie. Dacă bosonii nu ar acţiona sub forma unor mediatori ai interacţiunilor fundamentale, alte particule nu ar fi capabile de a experimenta efectele produse de diferitele forţe, ceea ce ar însemna că quarcurile nu s-ar putea combina în cadrul protonilor şi neutronilor fără existenţa forţei nucleare tari şi niciunul dintre aceştia nu s-ar fi putut combina cu electronii pentru a forma atomii fără existenţa forţei electromagnetice.

Se cunosc patru bosoni elementari: fotonii, care mediază forţa electromagnetică, gluonii, care se ocupă cu forţa nucleară tare şi bosonii W şi Z, care sunt responsabili pentru forţa nucleară slabă. Toţi aceşti bosoni sunt neutri din punct de vedere electric, cu excepţia bosonilor W, care au o sarcină electrică -1. Atât gluonii, cât şi fotonii au o masă zero, ceea ce înseamnă, în conformitate cu teoria relativităţii generale, că aceste particule trebuie să se deplaseze cu viteza luminii. Această observaţie pare un pic evidenta, cred eu, având în vedere că fotonii sunt particule de lumină.

Mulţi fizicieni cred că mai există şi alţi bosoni, dar aceştia nu au putut fi încă detectaţi, printre care şi bosonul Higgs, care ar fi responsabil de procesul prin care particulele dobândesc masa (n.t. Anunţul privind descoperirea bosonului Higgs a fost făcut în data de 4 iulie 2012) şi gravitonul, cel care ar media interacţiunea gravitaţională. Modelul Standard al fizicii necesită existenţa bosonului Higgs, în timp ce gravitaţia nu este considerată a fi o forţă fundamentală în cadrul acestui model. Cu toate acestea, alte teorii din domeniul fizicii particulelor susţin ideea unei gravitaţii cuantice ceea ce presupune existenţa un boson de tipul gravitonului care să medieze această interacţiune între particule.


Şi acum o scurtă recapitulare


Ei bine, cred că am inclus toate particule elementare cunoscute în tabelul de mai jos. Să verificăm tabelul.


Cele trei valori numerice indicate în căsuţa fiecărei particule reprezintă, de sus în jos, masa sa în electron-volţi, sarcina sa electrică şi spinul său. Ce este spinul? Vom ajunge şi la asta într-un articol viitor, acum este suficient să spun că... e complicat. Oricum, haideţi să aruncăm o privire la modul prin care quarcurile, leptonii, bosonii interacţionează pentru a forma materia şi forţele pe care le experimentăm zi de zi:

 


Antiparticule

Am ajuns aproape de finalul prezentării particulelor cunoscute, dar mai există încă două categorii de particule despre care trebuie să mai vorbim: mezonii şi antiparticulele. Mezonii sunt un alt tip de hadroni, ei fiind formaţi doar din două quarcuri în loc de trei, aşa cum am văzut că se întâmplă în cazul barionilor precum protonii şi neutronii. Acum, dacă vă uitaţi la sarcina electrică a quarcurilor, veţi observa că toate quarcurile up au o sarcină de 2/3, iar toate quarcurile down au o sarcina de -1/3. Aceasta înseamnă că nu există nicio modalitate de a combina doar două quarcuri pentru a obţine o particulă compozită având o sarcină electrică întreagă.

Soluţia de a ieşi din această încurcătură este aceea prin care se consideră că nu două quarcuri se combină pentru a forma un mezon, ci este vorba despre un quarc şi un antiquarc. Antiquarcurile fac parte dintr-o categorie de antiparticule, împreună cu antileptonii şi antibosonii şi toate aceste antiparticule au o sarcină electrică opusă faţă de cea a particulelor lor omoloage. De exemplu, unul dintre cele mai întâlniţi mezoni, pionul, este compus dintr-un quarc up şi un antiquarc down, ceea ce îi conferă o sarcină electrică pozitivă (2/3+1/3=1).

În afară de sarcina lor electrică opusă, antiparticulele sunt aproape identice cu omologii lor, particulele obişnuite. Spun „aproape identice" pentru că există încă câteva caracteristici diferite. Aceste proprietăţi, mai degrabă subtile, includ numărul barionic, numărul leptonic şi culoarea.

Primele două numere sunt destul de uşor de calculat prin scăderea numărului de antiquarcuri din numărul de quarcuri şi numărul de antileptoni din numărul de leptoni, dar ce putem spune despre culoare? Practic, culoarea este echivalentul forţei tari pentru sarcina electromagnetică şi este cunoscută sub numele de culoare pentru că are trei aspecte fundamentale (comparativ cu cele două aspecte ale sarcinii electrice - pozitiv şi negativ), care au fost denumite „albastru", „roşu" şi „verde", după culorile de bază.

Cu toate acestea, în afară de aceste caracteristici mai subtile şi de sarcina lor, antiparticulele, într-adevăr, sunt practic imposibil de distins de particulele obişnuite. Ele au aceeaşi masă, acelaşi spin, aceeaşi durată de viaţă... într-adevăr, o planetă Pământ compusă din antimaterie ar putea, teoretic, să existe şi ea ar fi exact la fel ca Pământul nostru cu excepţia faptului că sarcinile electrice ar fi opuse (şi câteva alte lucruri minore, dar sarcina electrică ar fi singura diferenţă evidentă). Desigur, nu există o planetă Pământ compusă din antimaterie, deoarece, din motive pe care abia acum începem să le înţelegem, materia a reuşit să domine antimateria în primele clipe ale Universului şi astfel orice antimaterie care se formează în prezent este rapid anihilată atunci când intră în contact cu materia obişnuită.



Aici este partea mai complicată. Antiquarcurile nu sunt doar antiparticule, acestea sunt antiparticule elementare şi acelaşi lucru este valabil şi pentru alte antiparticule ca antineutrinul sau antielectronul, care este mai bine cunoscut sub numele de pozitron. Dar există, de asemenea, antiparticule compozite, ca antiprotonul sau antineutronul şi relaţia dintre antiparticulele elementare şi antiparticulele compozite nu este întotdeauna atât de simplă.

Pentru a înţelege ce vreau să spun, să aruncăm o privire asupra pionului. Acesta este un mezon, ceea ce înseamnă că el este o particulă compozită. Dar este compus dintr-un quarc şi un antiquarc, ceea ce înseamnă că el este format din părţi egale ale unei particule elementare şi ale unei antiparticule elementare. Şi acesta este doar un tip de pion, antipionul încărcat negativ este compus dintr-un quarc down şi un antiquarc up (-1/3-2/3= -1). Din nou, o particulă elementară şi o antiparticulă elementară, dar, în acest caz, rezultatul este o antiparticulă compozită.

Acest lucru explică, de asemenea, cum ar putea exista ceva de genul unui antineutron. Am spus că antiparticulele au o sarcină electrică opusă faţă de omologii lor particulele obişnuite, dar neutronul nu are sarcină electrică. Deci, care este diferenţa dintre un neutron şi un antineutron? Aceasta este în legătură cu particulele elementare din cadrul lor. Cum am discutat mai devreme, un neutron conţine un quarc up şi două quarcuri down (2/3-1/3-1/3=0), dar un antineutron are un antiquarc up şi două antiquarcuri down (-2/3+1/3+1/3=0). Deşi sarcina electrică netă este aceeaşi, componentele sunt inversate şi din acest motiv neutronii şi antineutronii se pot anihila reciproc, la fel cum se întâmplă şi în cazul electronilor şi a pozitronilor sau a protonilor şi antiprotonilor. Materia şi antimateria se anihilează reciproc.

Dar dacă aceasta explică existenţa unor antiparticule compozite, neutre din punct de vedere electric, ce putem spune despre particulele elementare, neutre electric, precum neutrinul? Am menţionat deja că antineutrinul trebuie să aibă ceva care să-l poată distinge faţă de neutrin. Ei bine, răspunsul scurt este că... el nu poate fi identificat, cel puţin nu atât de evident încât fizicienii să o poată face. Antineutrinul şi neutrinul sunt aparent identici, ceea ce înseamnă că ele ar putea fi particulele Majorana, adică acele particule care sunt, în acelaşi timp şi propriile lor antiparticule.

Toţi bosonii neutri din punct de vedere electric sunt particule Majorana, dar neutrinul ar fi singurul fermion care ar câştiga acest titlu. Cu toate acestea, opinia actuală este că, deşi nu este imposibil, neutrinii nu sunt, probabil, particule Majorana, datorită acelor proprietăţi cuantice pe care le-am menţionat mai devreme. Se pare că numărul leptonic pentru neutrin diferă de cel al antineutrinului: 1 pentru neutrin şi -1 pentru antineutrin.

Există, de asemenea, particule compozit Majorana de un al treilea tip reprezentat de pion, care este compus dintr-un quarc up şi un antiquarc sau un quarc down şi un antiquarc. Deoarece acest mezon special este compus dintr-o particulă împreună cu antiparticula sa, nu este surprinzător faptul că acesta este şi propria sa antiparticulă.

 

Daţi clic pe imagine de mai jos pentru a descărca
un poster cu particulele elementare realizat de Scientia

 

Finalul prezentării a ceea ce ştim

Acestea ar fi informaţiile în legătură cu particulele şi antiparticulele pe care le cunoaştem. Cum am spus şi la început, am realizat un rezumat al tuturor particulelor elementare cunoscute. Vă puteţi referi la acesta ori de câte ori trebuie să vă reamintiţi de ele. Din păcate, sunt, pur şi simplu, mult prea multe combinaţii diferite ale particulelor compozite pentru a realiza un rezumat scurt al acestora, dar am inclus două din cele mai importante categorii de hadroni în această prezentare a particulelor elementare.




Traducere de Cristian-George Podariu după the-ultimate-field-guide-to-subatomic-particles