Continuăm discuţia despre „electron-volt”, unitatea de măsură pentru energie care este des folosită în fizica particulelor elementare, definită ca energia cinetică pe care o câştigă un electron atunci când este accelerat la o diferenţă de potenţial de 1 Volt.
În acest articol vom aprofunda noţiunea de „electron-volt” ca unitate de măsură pentru energie sau masă în lumea particulelor elementare. Vom vedea care sunt masele tuturor particulelor elementare măsurate în „eV” şi vom înţelege cum explică teoria oficială că ar exista un boson Higgs cu masa mare într-o particulă cu masă mult mai mică.
Unitatea de măsură a energiei în sistemul internaţional este 1 Joule (1 J). Într-un Joule intră aproximativ 6 miliarde de miliarde de eV. Cea mai mare energie adusă de umanitate unei particule elementare este de 3.500 de GeV, adică 3.500 de miliarde de electron-volţi, energia la care sunt acceleraţi protonii la acceleratorul Large Hadron Collider de la laboratorul european CERN. Astfel, este nevoie de 1783 de astfel de protoni pentru a obţine 1 Joule! Înţelegem, aşadar, de ce 1 J este o energie prea mare pentru lumea subatomică şi astfel de ce eV este unitatea tolerată de măsură a energiei în lumea particulelor elementare.
Să continuăm cu exemplele. O particulă de lumină din spectrul vizibil are undeva între 2 şi 3 eV. Un foton sub formă de raze X poate avea între 120 eV şi 120 de mii de eV. Aşadar, aceste energii sunt caracteristice lumii atomice, căci atât lumina din spectrul vizibil, cât şi radiaţiile din spectrul de raze X sunt emise ca urmare a saltului electronilor din atomi de pe un nivel de energie mai mare pe altul mai mic. Un foton din spectrul radiaţiilor gama are o energie mai mare de 100 de mii de eV. Aceste energii sunt caracteristice lumii nucleare, căci radiaţiile gama sunt emise de nucleele atomice atunci când acestea trec de la un nivel de energie mai ridicat la altul cu energie mai joasă.
Citiţi şi Să înţelegem noţiunea de electron-volt
Cât cântăreşte un boson Higgs?
Mai sunt şi alte aspecte ce merită investigate în cadrul discuţiei noastre despre electron-volt. Cea mai celebră ecuaţie din fizică (E=mc2) ne învaţă că orice are masă are şi energie, iar orice are energie are şi masă.
În formulă, c este valoarea vitezei luminii în vid, adică aproape de 300 de mii de kilometri pe secundă. De aceea, deseori în lumea particulelor elementare masa particulelor este exprimată tot în „eV”, deşi în mod riguros ar fi vorba de „eV/c2”. Dar din „lene” se spune de exemplu că masa bosonului Higgs este estimată a fi undeva între 115 şi 190 GeV.
Ideea care se doreşte transmisă de fapt este că masa bosonului Higgs este estimată a fi undeva între 115 şi 190 GeV/c2. Dar noi ştim că în sistemul internaţional masa se măsoară în kg. Cât ar fi masa bosonului Higgs în kilograme? 1 GeV/c2 corespunde la aproximativ 0,02 miliardimi de miliardimi de miliardimi de kilogram! Este vorba aşadar de valori foarte mici pentru viaţa noastră de zi cu zi, dar mari pentru lumea subatomică. De ce spun mari? Pentru că masa unui proton exprimată în GeV este de 0,938 GeV şi prin urmare masa unui boson Higgs este estimată a fi între 122 şi 203 ori masa protonului.
Acum că suntem deja familiarizaţi cu exprimarea masei particulelor în GeV şi ştim că riguros ar fi să spunem „GeV/c2”, putem trece în revistă particulele elementare în funcţie de masa lor. Nu există două particule cu aceeaşi masă, cu excepţia cazului antimateriei, căci particulele de antimaterie au aceeaşi masă cu particulele lor partenere.
Ce masă are fotonul?
Prima particulă în această listă este fotonul, particula elementară care intermediază interacţiunea electromagnetică. Fotonul are masă strict zero. Tot masă zero au şi cele opt tipuri de gluoni, particule elementare care mediază interacţiunea tare, adică forţa care ţine quarcurile împreună în protoni şi neutroni.
Masa neutrinilor, electronilor, quarcurilor...
Urmează neutrinii, care au mase mai mici de 15 eV. Apoi, electronii, care au o masă de 511 mii de eV! Adică cu mult mai mult decât neutrinii! Urmează quarcurile up şi down, fiecare cu aproximativ 3 milioane de eV, dar cu menţiunea că masa quarcului down este un pic mai mare decât cea a quarcului up.
Urmează masa quarcului strange, de aproximativ 100 de milioane de eV. Apoi masa miuonului, fratele mai mare al electronului, care are 106 milioane de eV. Apoi vine quarcul charm, cu aproximativ 1,2 miliarde de eV (adică 1,2 GeV). Urmează particula tau, celălalt frate, încă şi mai mare, al electronului, cu masa de circa 1,8 GeV. Apoi urmează quarcul bottom, de cam 4,2 GeV. Vine apoi un salt foarte mare în energie, ajungându-se la bosonul W, cu aproximativ 80,4 GeV. Apoi bosonul Z cu aproximativ 91,2 GeV. În sfârşit, cea mai masivă particulă elementară cunoscută este quarcul top, cu o masă de aproximativ 172 GeV. Acum putem să ne reamintim că, dacă există, bosonul Higgs ar avea o masă între aproximativ 115 şi 190 GeV. Ar fi aşadar o particulă masivă! O particulă elementară ar avea masa mai mare decât un atom cu aproape 120 de protoni şi neutroni!
Dar mai e un aspect. Să considerăm un proton în repaus. Energia lui este atunci de sub 1 GeV. Dar noi ştim că protonul este format din cel puţin trei quarcuri, iar fiecare dintre quarcuri are o masă. Iar această masă ştim că este dată de bosonul Higgs (din nou, dacă teoria curentă este corectă – iar căutarea bosonului Higgs este tocmai un test al acestei teorii). Aşadar, ar trebui ca bosoni Higgs să existe şi în interiorul protonului, ca să poată da masă quarcurilor, nu? Aşa este. Dar atunci cum se poate ca într-un proton cu energie totală de sub 1 GeV să existe mai mulţi bosoni Higgs fiecare cu masa mai mare de 115 GeV?
Energia fotonilor din spectrul vizibil in eV
Credit: Wikimedia Commons
Particulele elementare virtuale
Ei bine, aici trebuie să introducem noţiunea de particule elementare virtuale. Acestea pot apărea în interiorul unei interacţiuni elementare şi să nu respecte legile de conservare ale energiei şi impulsului. Cu alte cuvinte, aceste particule pot avea orice masă, dar numai pe o durată limitată. Astfel, acei bosoni Higgs care dau masă quarcurilor din protoni au o masă de 115 GeV, dar numai pentru o perioadă foarte foarte scurtă.
În acel interval de timp, energia nu mai este conservată. Dar imediat bosonul Higgs dispare şi apoi legile de conservare a energiei sunt din nou respectate. Şi procesul se repetă iar şi iar. Pentru ca o particulă să fie observată, ea trebuie să fie reală. Pentru ca bosonul Higgs să fie produs ca o particulă reală, cu masa mai mare de 115 GeV, e nevoie ca în sistem să existe o energie mult mai mare decât atât. Tocmai de aceea se ciocnesc protoni şi antiprotoni la o energie de aproximativ 2.000 GeV la acceleratorul Tevatron din SUA şi protoni cu alţi protoni la o energie de circa 7.000 GeV la acceleratorul LHC din Europa.
Alternative la teoria oficială
Mai trebuie să precizăm că există teorii alternative la teoria oficială din fizica particulelor elementare, iar acestea prezic existenţa unor particule elementare noi. Acestea ar fi mai mari decât cele deja cunoscute, căci dacă ar avea masă mai mică, ele ar fi fost deja descoperite. Pentru ca aceste teorii să fie testate experimental, aceste particule noi prezise de teorii sunt căutate experimental.
Cum ele au mase mari,e nevoie de energii de coliziune tot mai mari. De aceea, acceleratorul LHC poate genera o energie de circa 3,5 ori mai mare decât la Tevatron, iar peste doi-trei ani LHC va fi capabil să genereze o energie chiar de două ori mai mare decât în prezent.
