Quarcurile sunt cele mai mici componente ale materiei, de aproximativ o mie de ori mai mici decat nucleul unui atom. Un atom (cuvant care, in limba greaca, inseamna “indivizibil”) este alcatuit din protoni (particule cu sarcina electrica pozitiva), neutroni (fara sarcina electrica) si electroni (incarcati electric negativ). Protonii si neutronii (numiti si nucleoni) formeaza nucleul atomului, in timp ce electronii se pozitioneaza ca un fel de nor in jurul nucleului. Pana in anii ’60 ai secolului trecut, s-a crezut ca nu exista alte particule mai mici decat cele mentionate anterior. In 1931, Wolfgang Ernst Pauli, un fizician austriac, laureat al Premiului Nobel, a fost primul care a postulat existenta neutrinului, o particula rezultata din descompunerea neutronului, dar dovezile au aparut mult mai tarziu, dupa nenumarate experimente, in 1956. Treptat, oamenii de stiinta, in incercarea de a realiza un model teoretic al posibilelor particule subatomice, au ajuns la concluzia ca mai exista si alte componente ale atomului, mult mai mici, pe care le-au denumit leptoni, bosoni, hadroni si quarcuri. “Leptoni” este termenul generic pentru electroni si neutrini, “bosonii” sunt particule fara masa, cu o miscare de rotatie completa in jurul axei proprii, iar “hadronii” sunt particule cu o masa superioara sau egala cu cea a protonilor, fiind formati, la randul lor, din quarcuri.
Originea ideii de quarcuri si laboratoarele care le-au confirmat
Ideea existentei quarcurilor ii apartine fizicianului american Murray Gell-Mann, iar denumirea (quarc) i-a fost inspirata, in mod surprinzator, de o replica a unui personaj din romanul “Veghea lui Finnegan”, apartinand scriitorului irlandez James Joyce, in care aparea acest cuvant (“Three Quarks for Mister Mark!”), fara a avea o anume semnificatie. Gell-Mann, rasfoind volumul, tocmai in perioada in care cauta o denumire pentru particulele pe care intentiona sa le supuna atentiei oamenilor de stiinta, a dat peste acest cuvant, i s-a parut ca “suna” bine si l-a adoptat. In 1969, “quarcurile” i-au adus Premiul Nobel pentru fizica. In anii urmatori, alti cercetatori au reusit sa demonstreze existenta quarcurilor, prin bombardarea cu electroni a protonilor. Un rol esential, in acest sens, l-au avut fizicienii de la Universitatea Stanford (SUA), care au construit un accelerator de particule - SLAC (Stanford linear accelerator) - de trei kilometri lungime, cu ajutorul caruia au putut sa detecteze, in interiorul protonilor, niste minuscule structuri dure - quarcurile.
Tipuri si proprietăți ale quarcurilor
In prezent, se stie ca exista sase quarcuri, denumite, in lumea stiintifica, prin termenii englezesti “up” (sus), “down” (jos), “strange” (ciudat), “charmed” (farmec), “beauty” (frumos) si “top”/”truth” (adevar) - adica u,d,s,c,b,t. Principala caracteristica a quarcurilor este ca nu pot fi libere, ci doar grupate cate trei, formand nucleoni. De asemenea, s-au putut observa si perechi de quarc si anti-quarc (cu sarcina electrica negativa), asa cum se presupune, in modelul cosmologic standard, ca la inceputurile absolute ale lumii, fiecarei particule de materie i-a corespuns una de antimaterie (“particula lui Dumnezeu”). Quarcurile au incarcatura electrica si sunt legate intre ele printr-o forta similara celei care tine Universul unit si care functioneaza ca un “elastic” - cu cat quarcurile sunt mai indepartate, cu atat intensitatea fortei este mai mare (adica invers decat in cazul gravitatiei). Urmarea este ca atunci cand sunt foarte apropiate, quarcurile se comporta ca si cum ar fi libere, pentru ca forta de coeziune scade spre zero. Fizicienii numesc aceasta caracteristica “libertate asimptotica”. In 2004, un alt Premiu Nobel pentru fizica a fost acordat lui David Politzer, David Gross si Franc Wilczek, trei americani care, inca din 1970, descrisesera “libertatea asimptotica” a acestor particule. Mai mult, ei au atribuit cate o “culoare” diferitelor tipuri de quarc - rosu, albastru si verde. Culorile au, desigur, o valoare simbolica si corespund unei treimi de incarcatura electrica. Dand culoare acestei incarcaturi, se exprima faptul ca, pentru a-si indeplini rolul, in structura atomului, quarcurile trebuie sa se asocieze in grupuri de cate trei. Astfel, pentru a obtine un nucleon “alb” (incarcatura zero), trebuie sa existe laolalta un quarc rosu, unul albastru si unul verde. O astfel de descriere (conventionala, deoarece nu exista, in felul acesta, in realitate) se numeste cromodinamica cuantica.
Fortele fundamentale si particulele-purtatoare
In pofida spectaculoaselor descoperiri care s-au facut pana acum in legatura cu structura materiei, savantii mai au inca multe enigme de dezlegat. Nici modelul standard al quarcurilor nu este definitivat. Experimentele de la CERN (The European Organization for Nuclear Research), Geneva, ca si cercetarile astronomilor, bazate pe observatiile supernovelor si pe masuratorile concentratiei de deuterium in Univers, releva ca exista, intr-adevar, sase tipuri de quarcuri, dar nimeni nu poate explica originea acestui numar al particulelor elementare, subatomice. Mai mult, quarcurile au putut fi puse in evidenta numai in acceleratoarele de particule, desi ele se afla peste tot, in Univers, inclusiv in vid. Vidul cuantic nu este “golul” absolut, este o stare de energii potentiale in care se afla totul si care genereaza totul - materia (implicit atomii), galaxiile, fiintele, constiinta. Acceleratoarele de particule nu fac decat sa concentreze o mare cantitate de energie, intr-un volum foarte mic si sa provoace, in acest fel, o fluctuatie de forte suficienta pentru a se putea materializa (in vid) o pereche de particula-antiparticula (de exemplu, positron - electron), instabila, in mod obisnuit. Pentru a extrage, in aceste conditii, un quarc, din vid, energia necesara este enorma.
Ce face un accelerator de particule este, prin urmare, sa incerce sa reconstituie starea Universului primordial, de dinainte de “Big Bang”, univers care, probabil, spun oamenii de stiinta, nu continea decat particule elementare - o “plasma” de quarcuri, care, sub impulsul unei energii uriase, a prins contur. Un număr mare de particule subatomice există în natură. Aceste particule pot fi clasificate în două moduri: proprietatea de spin și participarea la cele patru forțe fundamentale. Reamintim că spinul unei particule este analog cu rotația unui obiect macroscopic în jurul propriei axe. Particulele de materie pot fi împărţite în fermioni și bosoni. Fermionii au spin semiîntreg (1/2 ℏ, 3/2 ℏ,…), iar bosonii au spin integral (0 ℏ, 1 ℏ, 2 ℏ,…). Exemplu familiar de fermion este electronul, iar un exemplu familiar de boson este un foton. Fermionii și bosonii se comportă foarte diferit în grupuri. De exemplu, principiul de excludere al lui Pauli spune că doi electroni nu pot ocupa aceeași stare, iar particulele indistinguibile au proprietăți specifice: dacă schimbi două particule indistinguibile în aceeași regiune, valoarea pătratul funcției de undă rămâne neschimbat. Fermionii sunt antisimetrici la schimb, iar bosonii simetrici.
Quarci, leptoni si bosoni: familia modelelor
Fermionii pot fi împărțiți în quarci și leptoni. Principala diferență dintre aceste două tipuri de particule este că quarcii interacționează prin forța tare, iar leptonii nu. Quarcii și leptonii (precum și bosonii care vor fi discutați mai târziu) sunt organizați în Figura 11.2. Cele două rânduri superioare conțin șase quarci, aranjați în două familii: up, charm și top (u, c, t) și down, strange și bottom (d, s, b). Quarcii și leptoni se combină în hadroni prin forța tare, formând mezoni (două quarci) și barioni (trei quarci). Protonul și neutronul sunt exemple de barioni, iar pionii și kaonii sunt exemple de mezoni. Un proton este format din doi quarci up și un quarc down (uud, +1), iar un neutron din uud (n = udd, 0). Leptonii includ electronul, muonul și tauul, împreună cu neutrinii lor corespunzatori. Bosonii, în special fotonul, gluonii, W, Z, Higgs și gravitonul - poartă forțele dintre particule.
Forțele fundamentale si cromodinamica cuantica
Forțele fundamentale - electromagnetismul, forța tare, forța slaba și gravitația - sunt transmise de bosoni gauge. Fotonul poartă forța electromagnetică, gluonii poartă forța tare între quarcuri, iar bosonii W și Z poartă forța nucleară slabă. Gravitonul, dacă ar exista, ar purta forța gravitațională, dar nu a fost încă inclus în Modelul Standard. Cromodinamica cuantică (QCD) descrie interacțiunile tari dintre quarcuri, iar pentru a explica interacțiunile, quarcii au o proprietate denumită “culoare” (roșu, verde, albastru) în timp ce combinațiile de trei quarci “alb” rezultă din această combinație de culori. Există 8 gluoni care poartă forța tare și pot interacționa între ei, ceea ce duce la fenomenul de confinement, adică imposibilitatea izolării unui quarc liber.
Modelul Standard combină QCD, QED și teoriile despre forța slabă și descrie 6 quarci, 6 leptoni, 12 bosoni gauge și antiparticulele corespunzătoare. Existenta tuturor acestor particule a fost adeverita de experienta. Pe lângă acestea, teoria cere existența unui câmp scalar constant în spațiu, interacționând diferit cu leptonii și quarcii, iar cuantele acestui câmp scalar reprezintă bosonii Higgs, responsabili pentru masă. Descoperirea bosonului Higgs în 2013 a închis un capitol major în înțelegerea masei particulelor. Gravitonul rămâne un tamplar teoretic al teoriilor alternative și nu a fost inclus în Modelul Standard.
Introducere în cosmogonie și vidul cuantic
Vidul cuantic nu este gol; este o stare de energie potențială în care se formează cupluri de particule și antiparticule în generații scurte de timp. Acceleratoarele de particule concentrează energie într-un spațiu mic pentru a provoca apariția perechilor particulă-antiparticulă în vid, un proces cu cost energetic mare. Aceste experimente încearcă să reconstituie starea Universului primordial, o plasma de quarcuri sub impulsul energiei uriase după Big Bang. În univers există un număr mare de particule subatomice, clasificate prin spin și prin implicarea în cele patru forțe fundamentale. Fermionii au spin semiîntreg, în timp ce bosonii au spin integral; exemple: electronii și protonii ca fermioni, fotonul ca boson.
Clasificări suplimentare și exemple
Quarcii sunt fermioni, iar leptoni nu participă la forța tare. Barionii includ protonii și neutronii; mezonii includ pionii și kaonii. Leptonii includ electronul, muonul, tauonul și neutrinii aferenți. Quarcurile sunt grupați în generații: prima generație (up, down, electron, neutrino e), a doua generație (charm, strange, muon, neutrino μ) și a treia generație (top, bottom, tau, neutrino τ). Descrierile tabelare ale acestor particule pot fi găsite în literatura de specialitate.
Concluzie nerealizată
Modelul Standard este o descriere cuprinzătoare a particulelor elementare, dar nu reprezintă o teorie definitivă; numărul exact de quarci și leptoni, originile maselor și natura câmpului Higgs continuă să fie subiect de cercetare. În România, istoria fizicii particulelor este marcată de înființarea laboratorelor de energie înalte și colaborările internaționale în cadrul proiectelor CERN, precum ATLAS și LHCb, unde cercetătorii locali contribuie la înțelegerea producțiilor de particule în coliziuni energetice în raze de TeV.
Sursă: University Physics (OpenStax), CC BY 4.0. Traducere de Nicolae Sfetcu. Teoria modelului standard și descrierile despre quarcuri, leptoni și bosoni au modelat înțelegerea noastră asupra structurii materiei, în timp ce studiile despre vid, cromodinamică și masă continuă să conducă cercetările actuale în fizica particulelor.
tags: #12 #sarcinile #si #masele #quark
Postări populare:
- Ghid detaliat: digestia în timpul celor 9 luni de sarcină
- Competențe, proceduri și infrastructură în transferul nou-născuților între secțiile de Neonatologie
- Idei și modele pentru tablouri canvas personalizate destinate bebelușilor
- Eugenia Vodă și impactul său în pediatrie în televiziune
- De ce apare durerea în zona ombilului la peste 30 de ani: cauze comune și semne de alarmă