O particulă elementară, ca electronul, fotonul, ori quarcul, este o particulă care nu este alcătuită din particule mai mici, care, aşadar, nu poate fi divizată, împărţită în alte particule. Cu toate acestea cercetătorii au identificat în realitatea un fenomen straniu: o particulă elementară se poate transforma în alte particule elementare. Cum este posibil aşa ceva?

O educaţie ştiinţifică clasică ne face, credem, să acceptăm cu dificultate o asemenea idee, întrucât înţelegem că o particulă elementară are o identitate în sine, identitate dată de caracteristicile sale unice.



Dar sunt cazuri documentate care arată că particulele elementare îşi pot schimba această identitate. De exemplu, un quarc charm se dezintegrează într-o particulă mai puţin masivă (quarcul strange) şi într-o particulă-forţă, bosonul W (care, la rându-i, se dezintegrează în quarcuri up şi down).

Ce sunt quarcurile? Sunt particule elementare care formează protonii şi neutronii (care alcătuiesc nucleul atomic).

Un alt exemplu de dezintegrare care presupune schimbarea identităţii unei particule este următorul: un boson W se poate transforma într-un electron şi un anti-neutrino.

Dacă luăm un neutron din nucleul atomic şi-l plasăm în spaţiu gol se va dezintegra în circa 10 minute, căci neutronii sunt sunt particule stabile. Neutronul se va dezintegra într-un proton, un electron şi un anti-neutrino.

E adevărat, neutronul nu este o particulă elementară, dar de unde apare electronul? De unde apare anti-neutrinul?

Un boson Higgs (particulă descoperită în anul 2011 şi anunţată ca atare pe 4 iulie 2012) se poate dezintegra într-un quark şi un antiquarc, iar un quarc poate emite un boson Higgs. În urma interacţiunii dintre un quark şi un antiquark cele două particule se anihilează, rezultând un boson Higgs.

Iată deci o serie de transformări misterioase ale particulelor elementare...



Cum e posibilă transformarea unei particule elementare într-o altă particulă elementară?

Cum sunt posibile aceste transformări miraculoase? Răspunsul la această întrebare vine prin intermediul teoriei câmpurilor cuantice.

Conform teoriei câmpurilor cuantice componentele fundamentale ale Universului sunt câmpurile, nu particulele. Particulele sunt, conform acestei teorii, ceea ce "vedem" atunci când ne "uităm" la câmpuri. Există câmpuri asociate particulelor elementare. Prin urmare, există câmpul electronului, câmpul quarcului şamd.

Aceste câmpuri interacţionează între ele, iar câmpurile mai "grele" se dezintegrează în câmpuri mai "uşoare".

Iată ce se întâmplă în cazul prezentat mai sus al dezintegrării bosonului W într-un electron şi un anti-neutrin (vezi şi imaginea de mai sus).

Bosonul W reprezintă o oscilaţie a câmpului acestui boson. Dar acest câmp, care are o masă, este instabil. Masa particulei este energia necesară pentru mişca particula, energia necesară pentru a face câmpul să oscileze.  

În spaţiu, chiar atunci când eliminăm materia din acesta, sunt prezente totuşi câmpurile. Câmpuri asociate tuturor particulelor elementare (şi nu doar câmpul electromagnetic şi cel gravitaţional, cu care suntem obişnuiţi în discursul ştiinţific).  

Spuneam că aceste câmpuri interacţionează unul cu altul. Ca urmare, un câmp aflat în oscilaţie poate afecta alte câmpuri. Aşadar, oscilaţia câmpului bosonului W (pe care o numim "bosonul W") se transferă către celelalte câmpuri, în cazul nostru către câmpul electronului şi câmpul anti-neutrinului, generând oscilaţii ale acestor câmpuri; oscilaţii care, aşa cum am afirmat mai sus, sunt identificate ca particule prin măsurători.

În felul acesta o particulă elementară se poate transforma în alte particule elementare - iar procesul, prin intermediul teoriei câmpurilor cuantice, este unul inteligibil.

 

# # #

 

Dacă doriţi să aflaţi mai multe despre teoria câmpurilor cuantice, vă invităm să urmăriţi videoclipul de mai jos. Prezentarea durează circa o oră, urmată de o sesiune de întrebări şi răspunsuri, dar cu certitudine timpul va fi folosit cu folos dacă sunteţi interesat de ideile avansate ale fizicii moderne.

 

Conferinţa "Particule, câmpuri şi viitorul fizicii":

 

PS. Articolul are la bază ideile exprimate de fizicianul Sean Carroll în conferinţa menţionată.