Modelul standard al particulelor
In trecut, lumea a fost fascinata de modul in care materia este organizata/alcatuita. Pe vremuri, oamenii credeau ca toate materialele, la baza lor, sunt alcatuite din "elemente clasice" cum ar fi pamant, apa, aerul, focul si eterul, care sa explice celelalte obiecte mai complexe (Grecia antica).
Apoi a existat curentul "atomist", lansat de Democrit, conform caruia "elementele" sunt formate din "atomi", indivizibili (care nu au alte particule "mai elementare" decat acestia).
Intre timp, am descoperit o sumedenie de particule subatomice care alcatuiesc materia. Aveti mai jos o poza cu acestea. Din cauza numarului mare de particule, modelul standard a mai fost denumit si "gradina zoologica a particulelor", tocmai datorita taxonomiei relativ complexe a acestora.
1) Masa
2) Spin
3) Interactiuni
2) Spin
3) Interactiuni
Fiecare particula, la randul ei, are aceleasi caracteristici ca orice alta particula din clasa ei (de ex, un electron are exact aceeasi masa, spin si interactiuni ca orice alt electron) deoarece fiecare particula este, de fapt, o vibratie in campul cuantic de care apartine.
Pentru a discuta despre campurile care genereaza particulele, trebuie sa facem intai o distinctie importanta, si anume diferenta dintre un fermion si un boson.
Fermionii ocupa spatiu, sunt particulele de "materie", din care suntem si noi alcatuiti, planetele, stelele si asa mai departe, pe cand bosonii nu ocupa spatiu si deci pot ocupa acelasi loc in spatiu, si transmit cele patru forte fundamentale ale naturii - forta puternica nucleara, forta slaba nucleara, electromagnetismul si gravitatia.
Fermionii vin si ei in doua categorii: cuarci si leptoni. Diferenta dintre cuarci si leptoni este aceea ca spre deosebire de leptoni, cuarcii simt forta puternica nucleara. Aceasta forta este manifestata, la randul ei, prin intermediu unor particule denumite "gluoni". Gluonii interactioneaza cu cuarcii. Leptonii sunt fermioni care nu sunt cuarci, si deci nu interactioneaza cu gluonii (nu simt forta puternica nucleara).
Cuarcii si leptonii sunt egali, ca si clasificare (3 seturi de cuarci, 3 seturi de leptoni).
Bosonii vin si ei in doua familii, insa imbalansate: cu exceptia bosonului Higgs, toti ceilalti sunt denumiti "Gauge bosons". Bosonii de tip Gauge sunt particule care transmit/propaga fortele naturii.
Astfel, avem bosonii: gluon, pentru forta puternica nucleara, W+, W- si Z pentru forta slaba nucleara, fotonul pentru electromagnetism si gravitonul (nedescoperit inca experimental) pentru gravitatie.
Bosonul Higgs este un boson special, in sensul ca nu este Gauge boson, ci este un camp scalar - permeaza constructul spatiotemporal in egala masura in orice locatie din acesta. Cu alte cuvinte, are aceeasi "densitate" peste tot.
Gravitonul nu apare in modelul standard al particulelor deoarece gravitonul nu a fost cuantizat, iar contextul de discutie pentru modelul standard al particulelor este la nivel de camp cuantic, si deci gravitonul nu-si are inca locul printre celelalte particule ce au fost cuantizate cu succes. Totusi, la nivel teoretic, chiar daca nu a fost descoperit exprimental, plauzibilitatea existentei gravitonilor este ridicata.
Fiecare tip de particula are propriul "spin", o caracteristica a particulelor. In ciuda faptului ca particulele nu au dimensiune, pot avea spin. Spinul unei particule este masurat prin intermediul constantei lui Planck (1858 - 1947), "h".
Pentru bosoni, spinul acestora este un numar intreg: 0, 1, 2 etc
Bosonul Higgs are spin 0. Gauge bosons au spin 1. Gravitonul are spin 2. (0h, 1h, 2h).
Fermionii au spin un numar intreg + 1/2 * h. De obicei, este 0 + 1/2 h, adica 1/2, Toti fermionii descoperiti au spin 1/2 - cuarcii, electronii, neutrinii etc.
In anii 1800, chimistii au inceput sa foloseasca termenul de "atomi" pentru a descrie blocurile constituente ale elementelor chimice. Insa atomii nu sunt particule elementare - ci, asa dupa cum am descis mai sus, sunt colectii de particule elementare.
Ernest Rutherford, un fizician neo-zeelandez ce lucra in Cambridge, Anglia, a descoperit acest lucru incercand sa probeze structura atomilor.
A facut acest lucru folosind particule alpha (nuclei de atomi de Heliu), lansandu-le catre folii de aur. Ideea de la care a plecat Rutherford a fost aceea ca particulele alpha se vor izbi de ceilalti atomi de aur pe care-i vor intalni in cale si vor zbura in toate directiile, catre detectorii pe care i-a amplasat pentru a observa acest lucru. In schimb, spre surpriza lui, particulele alpha treceau prin folia aurita neperturbate, RAREORI interactionand si fiind deviate in directii neprevazute.
Acum stim ca acest lucru se intampla deoarece particulele alpha care erau deviate se intampla sa nimereasca nucleul atomilor de aur din folie (nucleu format din protoni si neutroni) si astfel erau deviate. Atunci cand nu nimereau direct in nucleu, treceau neperturbate mai departe.
Insa nici nucleii atomilor nu erau fundamentali - neutronii se puteau schimba si degenera - acest lucru reprezentand radioactivitatea (descoperita de Marie Curie si Henri Becquerel).
Un neutron "liber" (neatasat la un atom) are o durata de viata de 10 minute. Un proton are o durata de viata de 10^40 ani (estimata).
Un neutron se descompune intr-un proton, intr-un electron si intr-un electron anti-neutrino + energie.
Revenind insa la atomi, cel mai simplu atom este Hidrogenul - contine un proton si un electron.
Nucleul unui atom contine nucleoni - protoni si neutroni.
Protonii au o sarcina electrica pozitiva, +1. Neutronii au sarcina neutra. Electronii au sarcina electrica negativa. La nivel de masa, protonii au echivalentul a 1836 de mase de electroni, iar neutronii au echivalentul a 1838 de mase de electroni.
Nucleonii sunt, la randul lor, formati din cuarci. In cazul materiei barionice, sunt formati din trei cuarci. Acesti trei cuarci sunt tinuti impreuna printr-un schimb de gluoni (din nou, particula care exprima forta puternica nucleara) in ceea ce se cheama "cromodinamica cuantica" - nimic altceva decat un nume fancy care descrie modalitatea prin care cei trei cuarci sunt intr-o organizare stabila - in acest caz, ca si nucleoni. Cealalta optiune o reprezinta materia mezonica, formata dintr-o pereche cuarc-anticuarc.
Electronii sunt tinuti in orbita de catre forta electromagnetica prin faptul ca sunt atrasi de proton datorita sarcinii electrice -1 fata de sarcina electrica +1 a protonilor.
Fiecare nucleu nu este altceva decat o combinatie diferita de protoni si neutroni.
Pentru ca masa si energia sunt interschimbabile (prin intermediul celebrei ecuatii E=mc^2), masa unei particule este masurata in electron-volti, o unitate de masura a energiei, nu a masei - este necesarul de energie pentru a misca un electron printr-un volt de potential electric.
Pentru a pune lucrurile in perspectiva, un miliard de electroni-volti reprezinta energia kinetica a unui tantar ce se afla in zbor. Pentru a simplifica lucrurile, vom folosi GeV (Giga electron-volts) - miliarde de electron-volti.
1 GeV este totalul energiei ce se afla in masa unui proton (cu aproximatie - valoarea exacta este 938 MeV sau 0.938 GeV). Si mai interesant este faptul ca masa unui proton este data, in foarte mare parte, de energia gluonilor schimbati de catre cei 3 cuarci ce alcatuiesc protonul, si nu de masa cuarcilor (!). Un proton este format din 3 cuarci - 2 upquarks si 1 downquark. Masa unui upquark este de 2.4 MeV, iar masa unui downquark este de 4.8 MeV. Rezulta, deci, ca masele celor 3 cuarci adunate dau o valoare de 9.6 MeV, insa masa unui proton este de 938 MeV.
Asadar, din masa unui proton, masa celor 3 cuarci din care este alcatuit este de doar 9.6 MeV, iar masa (energia) gluonilor schimbati prin intermediul fortei puternice nucleare intre cuarci este de 938 - 19.2 = 928.4 MeV (!!!)
Masa unui electron este de ~500 000 eV. (511 KeV, mai exact). Bosonul Higgs are o masa de 125 GeV, bosonii W+ si W- au cate 80 GeV iar bosonul Z are 91 GeV (toti acesti bosoni cu mult mai masivi decat un proton sau un neutron).
Neutrinii au o masa de 0.001 eV (extrem de usori).
In anii '20, Paul Dirac (1902 - 1984) a incercat sa inteleaga comportamentul electronilor. A scris o ecuatie (ecuatia Dirac) care descria cum interactioneaza electronii "singuri". Aceasta avea insa doua rezolvari posibile: o solutie descria un electron, cealalta solutie descria o particula similara, cu acelasi spin si aceeasi masa, insa cu sarcina electrica pozitiva.
In 1928, cand Dirac a scris ecuatia, nimeni nu observase experimental o astfel de particula. Acum stim insa ca ecuatia lui Dirac prezicea existenta antimateriei.
In 1932, Carl Anderson (1905 - 1991) - care lucra la Caltech, a descoperit experimental antimateria (imagine cu placa comemorativa a acestui eveniment aici :
- in acest caz, pozitronul, folosind o "cloud chamber".
Anderson a cercetat razele cosmice ce treceau prin cloud chamber de pe acoperisul unei cladiri de la Caltech si a descoperit o particula care intr-un camp magnetic din cloud chamber avea o traiectorie opusa electronilor.
Acest lucru insemna ca era un electron, insa cu sarcina pozitiva - pozitronul. Multi alti cercetatori la acea vreme nu l-au crezut si chiar l-au intrebat daca nu cumva tine poza invers, insa descoperirea a fost autentica.
Nu toate particulele au anti-particula, ci doar cele cu sarcina electrica. Cele cu sarcina electrica neutra nu au anti-particula.
La nivel de sarcina electrica, cercetatorii au crezut, initial, ca sarcina electrica reprezinta un numar intreg. Insa odata cu descoperirea cuarcilor ce alcatuiesc nucleonii (protonii si neutronii), am descoperit si faptul ca sarcina electrica poate fi un numar fractionar.
Un proton este alcatuit din 3 cuarci - doi upquarks si un downquark. Un neutron este alcatuit tot din 3 cuarci, de aceasta data un upquark si doi downquarks.
Sarcina electrica a unui upquark este de +2/3. Sarcina electrica a unui downquark este de -1/3.
In cazul protonului, avem +2/3+2/3-1/3 = 3/3 = +1
In cazul neutronului, avem -1/3-1/3+2/3 = 0 (sarcina neutra)
De aici isi "iau" protonii si neutronii sarcinile electrice.
Cuarcii au "culori" - RGB (red, green, blue) pentru cuarci si CMY (cyan, magenta, yellow sau anti-red, anti-green, anti-blue) pentru anti-cuarci, in cromodinamica cuantica.
Cheia intelegerii cromodinamicii cuantice este faptul ca intotdeauna vom vedea combinatii de cuarci care sunt neutre din punct de vedere color - ori combinatii RGB (barion - protoni, neutroni), ori combinatii CMY (barion), ori combinatii RC, GM sau BY (cuarc - anticuarc, adica mezoni - kayons, pions).
Este posibil ca si gluonii sa alcatuiasca o particula compozita denumita "glueball", insa nu a fost dovedita experimental.
Wolfgang Pauli (1900-1958) a descoperit particula neutrino datorita faptului ca dupa descompunerea unui neutron (din nou, este stabil circa 10 minute de unul singur in natura), adunand energia totala a particulelor ce rezulta din aceasta descompunere - nu se ajungea la energia initiala - astfel s-a descoperit particula neutrino - indeplinea intocmai energia lipsa din descompunerea unui neutron.
Din moment ce forta puternica nucleara se manifesta deja prin intermediul gluonilor in cromodinamica cuantica, gravitatia era gravitatie iar electromagnetismul era electromagnetism, trebuia sa mai existe o forta a naturii care sa determine descompunerea neutronului in alte particule - aceasta a fost denumita "forta slaba nucleara" - este forta care altereaza identitatea particulelor.
Atunci cand spunem ca un neutron se descompune intr-un proton, electron, electron anti-neutrino si energie, de fapt ceea ce spunem este ca un downquark se transforma intr-un upquark sub influenta fortei slabe nucleare.
Forta slaba nucleara are 3 bosoni purtatori, W+, W- si Z (fara sarcina electrica).
Un upquark cu sarcina electrica +2/3 poate emite un boson W+ si astfel se transforma intr-un downquark cu sarcina electrica -1/3. Sarcina electrica este conservata in toate aceste interactiuni.
In toata aceasta taxonomie de particule, exista familii de particule. Electronul are un "var" mai masiv, "muon electron", care are un var si mai masiv, "tau electron".
Cuarcii au si ei la fel - cuarci mai masivi. Avem upquark si downquark, dar avem si charm quark si strange quark, si top quark si bottom quark. De fapt, top quark are masa de 173 GeV, de aproape 200 de ori mai masiv decat un upquark.
Acum, sper ca modelul standard al particulelor este clar :)
Mai multe informatii despre fortele naturii aici:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/funfor.html
Mai multe informatii despre fortele naturii aici:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/funfor.html
Comentarii