Descoperirea electronului, în secolul al XIX-lea, marchează începutul erei fizicii particulelor elementare. Experimentatorii vremii foloseau tehnologii avansate pentru acea perioadă, precum transformatoarele Ruhmkorff și tuburile vidate, pentru a studia descărcările electrice. La sfârșitul secolului al XIX-lea, J.J. Thomson a realizat un experiment crucial, utilizând câmpuri electrice și magnetice pentru a demonstra că razele catodice sunt formate din corpusculi încărcați negativ, ulterior numiți electroni. El a determinat raportul sarcină/masă al acestor particule și a realizat o primă estimare a sarcinii electrice a electronului.
La acea vreme, erau cunoscute doar două tipuri de forțe fundamentale: electromagnetică și gravitațională. Pentru a explica fenomene precum emisia de electroni la iluminarea unei suprafețe metalice (efectul fotoelectric), Einstein a propus în 1905 că lumina este formată din cuante de energie. Experimentul lui Compton din 1923 a consolidat această idee, demonstrând comportamentul corpuscular al luminii.
Pe măsură ce înțelegerea atomului a evoluat, de la ideea unor bile permeabile la cea a unui nucleu central înconjurat de electroni, au apărut noi întrebări. Ce anume ține nucleul atomic unit, în ciuda repulsiei dintre protonii pozitivi? Răspunsul a condus la postularea existenței unei noi forțe fundamentale: forța tare, care acționează la distanțe extrem de mici.
Un alt concept revoluționar în fizica particulelor este cel al anti-particulei. În 1927, Paul Dirac a teoretizat existența antiparticulelor, iar în 1931, Carl D. Anderson a descoperit experimental pozitronul, antiparticula electronului. Ulterior, au fost descoperite și alte particule, precum mezotronul (redenumit ulterior muon), care a pus noi provocări în calea înțelegerii naturii materiei.
După cel de-al Doilea Război Mondial, cercetarea în fizica particulelor a cunoscut o expansiune rapidă, în special în Statele Unite. Anii '50 au fost marcați de dezvoltarea acceleratoarelor de particule, ducând la descoperirea unui număr mare de noi particule, inclusiv antiprotonul, antineutronul și noi tipuri de mezoni. Modelul de quarcuri, propus de Gell-Mann, a revoluționat înțelegerea hadronilor (protoni și neutroni), sugerând că aceștia sunt compuși din particule elementare numite quarcuri, cu sarcini electrice fracționare.
Modelul Standard și Particulele Elementare
Fizica particulelor elementare studiază constituenții fundamentali ai materiei și interacțiunile dintre aceștia. O particulă elementară este o particulă subatomică ale cărei proprietăți pot fi înțelese fără a presupune că ea ar avea o structură internă. În fizica particulelor, o particulă elementară este o particulă despre care nu se cunoaște dacă are o substructură, adică dacă aceasta este formată din particule mai mici.
Modelul Standard al fizicii particulelor reprezintă consensul actual asupra constituenților de bază ai materiei și a forțelor fundamentale care descriu interacțiunile dintre aceștia. Modelul Standard este o teorie simplă și cuprinzătoare care explică sute de particule și interacțiunea complexă dintre ele doar cu 6 quarcuri, 6 leptoni și particule purtătoare de sarcină precum fotonul. Conform Modelului Standard, particulele elementare sunt fie bosoni, fie fermioni.
Fermionii: Constituenții Materiei
Fermionii reprezintă constituenții materiei și sunt împărțiți în două categorii principale: quarcuri și leptoni. Quarcurile se comportă diferit față de leptoni, iar pentru fiecare particulă de materie există o particulă corespunzătoare de antimaterie.
Quarcurile
Quarcul este o particulă elementară care interacționează prin forța nucleară puternică și care constituie materia "grea" (numită și barionică). Modelul Standard conține 6 arome de quarcuri: "up" (u), "down" (d), "charm" (c), "strange" (s), "top" (t) și "bottom" (b). Masele lor cresc de la valori mici, cum este cazul quarcului up (doar o miime din masa protonului) până la foarte greu (quarcul top), fiind tot la fel de masiv ca un atom de aur, ceea ce este remarcabil pentru orice particulă elementară.
- Quarcul up (u): Cel mai puțin masiv dintre cele șase tipuri de quarcuri, acesta se combină cu quarcul down pentru a crea materia pe care o experimentăm în mod curent.
- Quarcul down (d): Acesta, împreună cu quarcul up formează protonii și neutronii care constituie nucleul atomic. Două quarcuri down și un quarc up formează un neutron.
- Quarcul charm (c): Este similar quarcului up, dar este mult mai masiv.
- Quarcul strange (s):
- Quarcul bottom (b):
- Quarcul top (t): Masa unui quarc top este echivalentă cu nucleul unui atom de aur, care conține 197 de protoni și tot atâți neutroni.
Leptonii
Leptonii sunt particule de spin ½ (fiind un fermion) care nu se supun forței nucleare tari. Aceștia formează o familie separată de particulele elementare, care este distinctă față de familia quarc-urilor.
- Electronul: Particulă încărcată negativ ce înconjoară nucleul atomului. Electronul are o sarcină negativă și participă la interacțiunile electromagnetice, masa acestuia fiind de aproximativ 1/1836 din cea a protonului. Împreună cu nucleul atomic, electronii formează atomul. Interacțiunea lor cu nucleii adiacenți este principala cauză a legăturii chimice. Antiparticula electronului este pozitronul.
- Neutrinul electronic: O particulă elementară ce nu are o sarcină electrică netă. Împreună, alături de electron, formează prima generație de leptoni. Aceștia pot călători distanțe uriașe fără a interacționa cu materia, aproximativ 600 de milioane de neutrino trecând prin corpul uman în fiecare secundă.
- Miuonul: Este o particulă cu sarcină electrică, mult mai masivă decât electronul și mult mai instabil decât acesta. Două treimi din miuoni se dezintegrează în electron, neutrinul miuonic și electron anti-neutrino în 2 microsecunde de la apariție. Miuonul a fost descoperit după electron, proton și neutron.
- Neutrinul miuonic: Tipul de dezintegrare radioactivă ce produce miuonii neutrino, produce de asemenea și miuonii. Nu are o sarcină electrică netă. Împreună cu muonul, formează cea de-a doua generație de leptoni.
- Tauonul (particula tau): Este o altă particulă elementară similară electronului, cu o sarcină electrică negativă. Asemenea tuturor particulelor elementare, tau are o antiparticulă cu sarcina opusă, dar egală în masă și spin, numită antitau. Este identic cu electronul, dar este de 3,500 de ori mai greu și mai instabil decât acesta. Are o durată de viață mai mică de 10-12 dintr-o secundă, înainte să se dezintegreze în alte particule.
- Neutrinul tauonic: Este cel mai masiv dintre cele trei tipuri de neutrini. Existența acestuia a fost confirmată atunci când o particulă care nu putea fi decât un neutrin tauonic s-a lovit de nucleul unui atom și a rezultat un lepton tau. Nu are o sarcină electrică netă. Împreună cu particula tau formează cea de-a treia generație de leptoni.
Bosonii: Purtătorii Forțelor
Bosonii sunt responsabili de interacțiunea nucleară slabă, numită și interacțiunea slabă, care la rândul ei este responsabilă pentru radioactivitate și care acționează asupra tuturor particulelor de materie cu spin ½ (de exemplu protonii sau neutronii), dar nu acționează asupra particulelor cu spin 0, 1 sau 2 (cum sunt fotonii sau gravitonii).
- Gluonul: Intermediază interacțiile tari dintre quarcuri. Are masa de repaus nulă, spinul 1 și este neutră din punct de vedere electric. Forța tare ține quarcurile la un loc formând protonii și neutronii. De asemenea, forța tare ține la un loc protonii și neutronii ce formează nucleul atomului.
- Bosonii slabi (W+, W- și Z0): Sunt particulele elementare ce intermediază interacțiunea slabă. Bosonii W au sarcină electrică, spin întreg (fiind bosoni) și sunt responsabili de interacțiunea nucleară slabă. Există două tipuri de bosoni W, bosoni W+ și bosoni W-, diferențiați prin sarcina electrică +1 respectiv -1. Cele două tipuri de bosoni W sunt unul antiparticula celuilalt. Bosonii Z sunt similari cu bosonii W, doar că aceștia nu au sarcină electrică. Împreună cu bosonii W, bosonii Z sunt responsabili de interacțiunea nucleară slabă. Forța slabă este responsabilă de dezintegrările radioactive, conducând la transformarea unui quarc down în quarc up. Această schimbare are ca efect transformarea neutronului în proton, transformare însoțită de eliberarea unui electron. De asemenea, forța slabă poate transforma un proton într-un neutron.
- Fotonul: Este purtătorul radiației electromagnetice, în întregul ei, incluzând undele radio, lumina, razele X, razele gamma etc. Fotonul și câmpul electromagnetic asociat țin atomii împreună. Ultimul boson este fotonul, numit și cuanta de lumină. Fotonul este o particulă elementară responsabilă pentru toate fenomenele electromagnetice. Toate formele de lumină (nu numai cea vizibilă) se compun din fotoni. Masa de repaus a acestuia este zero, astfel, în absența oricărei interacțiuni viteza fotonului (viteza luminii, notată cu c) este aceeași în toate sistemele de referință.
- Bosonul Higgs: Câmpul Higgs încearcă să explice apariția masei determinate experimental a bosonilor care erau înțeleși ca fiind lipsiți de masă; astfel, acest câmp încetinește bosonii slabi ce ar evolua cu viteza luminii și care în principiu nu au masă, iar prin această încetinire bosonii slabi obțin masă. Bosonul Higgs a fost postulat pentru a explica masele diferite de zero ale unor bosoni de calibrare și confirmat experimental în anul 2013.
- Gravitonul: Este particula-forță purtătoare a gravitației, care este cea mai slabă forță. Încă nu a fost inclus în Modelul Standard și este un boson teoretic.
Particulele Compuse
Particulele compozite, precum hadronii, sunt compuse din două sau mai multe particule elementare. Quarcurile nu au fost observate niciodată în stare liberă, dar sunt dovezi care i-au convins pe fizicieni de existența lor. Quarcurile nu sunt compuse din alte particule mai mici.
Hadronii
Hadronii sunt împărțiți în două mari familii: barioni și mezoni. Toți sunt constituiți din mai mulți quarcuri ținuți împreună de forța nucleară tare (așa cum atomii și moleculele sunt ținuți împreună de forța electromagnetică).
- Barioni: Barionii sunt hadroni compuși din 3 quarcuri și sunt alcătuiți din mai multe tipuri de particule.
- Nucleonii: Particulele care alcătuiesc nucleul atomic. Fiecare nucleu conține unul sau mai mulți nucleoni și fiecare atom conține un grup de nucleoni înconjurați de unul sau mai mulți electroni.
- Neutronul: Particula din nucleul atomic cu masa neutră din punct de vedere electric. La trecerea neutronilor prin materie sunt posibile trei tipuri de interacții: împrăștiere elastică, împrăștiere inelastică și captură neutronică. Când un neutron se dezintegrează, acesta se separă într-un proton, un electron și un neutrin.
- Protonul: Particula subatomică din nucleul unui atom, cu masa și cu sarcina electrică pozitivă. Numărul de protoni stabilește poziția elementului în sistemul periodic al lui Mendeleev. Deoarece toți protonii unui atom au sarcină pozitivă și se află toți în nucleu, apariția forțelor nucleare tari, transmise de mezoni, explică de ce nu se resping.
- Barionii delta: Au sarcini electrice +2, +1, 0 și -1. Spre deosebire de neutroni și protoni (care au spinul 1/2), barionii au spinul 3/2.
- Barionii Lambda: Au sarcină electrică +1 sau neutră. Conțin diferiți quarcuri: unul "up", unul "down" și un al treilea care poate fi fie "strange", fie "charm".
- Barionii Sigma: Au sarcină electrică +2, +1, -1 sau neutră. Sunt compuși din trei quarcuri: doi "up"/sau "down" și un al treilea, ce poate fi "strange", "charm", "bottom" sau "up".
- Barionii Xi: Au sarcină electrică +2, +1, -1 sau neutră. Sunt compuși din trei quarcuri: unul "up" sau "down" și alți doi quarcuri grei. Barionii Xi sunt foarte instabili și se descompun rapid în alte particule mai ușoare.
- Barionii Omega: Au sarcină electrică +2, +1, -1 sau neutră.
- Nucleonii: Particulele care alcătuiesc nucleul atomic. Fiecare nucleu conține unul sau mai mulți nucleoni și fiecare atom conține un grup de nucleoni înconjurați de unul sau mai mulți electroni.
- Mezoni: Mezonii conțin un quarc și un antiquarc și sunt împărțiți în mai multe tipuri.
- Pionii: Cei mai ușori mezoni, joacă un rol important în explicarea proprietăților energiei joase ale forței nucleare tari. Pionii sunt mezoni cu spin 0 și reprezintă prima generație de quarcuri.
- Mezonul rho: După pioni și kaoni, mezonii rho sunt cei mai ușori, având o masă de 770 MeV pentru toate cele trei stări ale sale.
- Mezonul eta: Este alcătuit dintr-o mixtură de quarcuri "up", "down" și "strange" precum și antiquarcurile lor.
- Mezonul phi: Este format dintr-un quarc „strange” și un antiquarc „strange” și are o masă de 1,019.445±0.020 MeV/c2.
- Mezonul J/Psi: Sau psimezonul, este compus dintr-un quarc “charm” și un antiquarc “charm”. A fost descoperit în anul 1974.
- Mezonul Upsilon: Este format dintr-un quarc “bottom” și antiparticula sa. A fost descoperit de Leon Lederman, la Fermilab în anul 1977. A fost prima particulă descoperită ce conținea un quarc “bottom”.
- Kaonul: Conține un quarc “strange” sau un antiquarc, împreună cu un quarc antiquarc “up” sau “down”. Kaonul a jucat un rol important în stabilirea Modelului Standard, ducând la înțelegerea încălcării simetriei - fenomenul care a generat asimetria dintre materie și anti-materie în Univers.
- Mezonul B: Este compus dintr-un antiquarc “bottom” și un altul fie “up”, “down”, “strange” sau “charm”.
- Mezonul D: Este cea mai ușoară particulă ce conține quarcuri “charm” și sunt studiați în special pentru a înțelege interacțiunea slabă.
Sarcina Electrică: O Proprietate Fundamentală
Sarcina electrică sau cantitatea de electricitate este o mărime fizică ce exprimă din punct de vedere macroscopic o proprietate fundamentală a materiei care determină interacțiunile acesteia prin câmp electromagnetic. Există două tipuri de sarcină electrică, pozitive și negative, determinate de particule subatomice, electronii și protonii. Materia încărcată electric este influențată de câmpul electric și, în același timp, produce câmp electric.
Interacțiunea dintre o sarcină în mișcare și un câmp electromagnetic este sursa forței electromagnetice, care este una dintre cele patru forțe fundamentale. O „distrugere” a sarcinilor electrice nu este posibilă; este vorba de „conservarea” sarcinilor (și a energiei asociate lor). Sarcina electrică este caracteristică unor particule subatomice și este cuantificată când este exprimată doar ca multiplu al așa-numitei sarcini elementare e, care are valoarea de 1,602·10-19 C (coulomb).
Există sarcini pozitive și sarcini negative. Cele două feluri de sarcini, (+) și (-) sunt de valoare egală în modul (simetrie valorică). Electronii, prin convenție, au sarcina -1, iar protonii au sarcina opusă, +1. Quarkurile au o sarcină fracționară, de −1/3 sau +2/3. În general, particulele cu sarcină de același semn se resping, iar cele de semne opuse se atrag.
Sarcina electrică a unui obiect macroscopic este suma sarcinilor electrice ale componentelor ce îl constituie. Adesea, sarcina electrică netă este zero, deoarece numărul de electroni din fiecare atom este egal cu numărul de protoni, și astfel sarcinile acestora se anulează reciproc. Situațiile în care sarcina netă este nenulă sunt denumite electricitate statică.
Mai mult, chiar și când sarcina netă este zero, ea poate fi distribuită neuniform (de exemplu, din cauza unui câmp electric extern), atunci spunându-se despre material că este polarizat), iar sarcinile legate de polarizare sunt numite sarcini legate (iar sarcinile în exces aduse din exterior se numesc sarcini libere). O mișcare ordonată a particulelor încărcate într-o anumită direcție (în metale, aceste particule sunt electronii) este cunoscută sub numele de curent electric.
Unitatea de măsură în sistemul internațional pentru sarcina electrică este coulombul, care reprezintă aproximativ 6.024 × 1018 sarcini elementare (egale cu sarcina unui singur proton sau electron). Coulombul este definit ca fiind sarcina electrică sau cantitatea de electricitate care trece prin secțiunea transversală a unui conductor electric prin care trece un amper timp de o secundă. Simbolul Q este adesea folosit pentru a nota cantitatea de sarcină electrică.
Formal, sarcina electrică a unui corp trebuie să fie multiplu de sarcina elementară e (sarcina este cuantificată), dar deoarece este o cantitate macroscopică, cu multe ordine de mărime mai mare decât sarcina elementară, poate lua practic orice valoare reală.
Istoria Cercetării Particulelor Fundamentale
Istoricul fizicii particulelor elementare a început odată cu descoperirea electronului (1897). Experimentele efectuate de J.J. Thomson în 1897 asupra razelor catodice au arătat că acestea constau din „corpusculi” de sarcină electrică negativă și masă mult mai mică decât masa oricărui ion cunoscut. Din faptul că raportul sarcină/masă era independent de natura electrozilor rezulta că acești electroni, cum au fost numiți mai târziu, erau constituenți esențiali ai oricărui atom.
Un grup de cercetători sub îndrumarea lui Ernest Rutherford a sondat această distribuție de sarcină, observând modul în care era împrăștiat un fascicul de raze alfa pe o foiță de aur (1911). Concluzia era că sarcina pozitivă masivă este concentrată în centrul atomului. În anul 1913, Niels Bohr a propus un model al atomului de hidrogen, care consta dintr-un electron punctual aflat pe o orbită staționară în jurul unui nucleu masiv de dimensiuni mult mai mici decât raza orbitei electronice și de sarcină electrică pozitivă, egală în valoare absolută cu sarcina electronului.
Albert Einstein a dat explicația teoretică a faptului că în efectul fotoelectric energia maximă a electronilor emiși de o suprafață metalică iradiată depinde nu de intensitatea, ci numai de frecvența radiației incidente, făcând presupunerea că radiația electromagnetică are o structură corpusculară (1905). Această ipoteză a fost primită inițial cu ostilitate de lumea științifică, până când în anul 1923 ea a fost reluată de Arthur H. Compton și acceptată ca unică explicație posibilă a împrăștierii razelor X pe electroni atomici (efect Compton).
Ecuația lui Dirac pentru funcția de stare relativistă a electronului (1928) admite soluții care corespund unor stări de energie negativă. Dirac a reinterpretat aceste soluții ca reprezentând stări ale unei particule încă neobservate, cu aceeași masă ca a electronului dar de sarcină electrică opusă, pe care a numit-o „antielectron”. Traiectoria unei particule cu aceste caracteristici a fost observată în 1932 de C.D. Anderson; ea a primit numele de pozitron.
Pentru a elimina controversa legată de aparenta violare a legii conservării energiei în dezintegrarea beta, Wolfgang Pauli a sugerat în anul 1930 existența unei particule de masă nulă sau foarte mică și sarcină electrică zero, care să restabilească bilanțul energiei. În 1934, Enrico Fermi a inclus această ipoteză în teoria dezintegrării beta și a numit particula neutrino.
În 1936, Anderson și Neddermeyer au detectat în camera cu bule o particulă cu sarcină electrică negativă, produsă de razele cosmice. După identificarea inițială greșită ca „mezon”, particula a fost redenumită miuon. Proprietățile miuonului sunt similare cu ale electronului: parametrii de dezintegrare sunt de același ordin de mărime cu parametrii dezintegrării beta inversă, iar în ambele cazuri sunt emiși neutrini.
Stabilitatea nucleelor atomice indică existența unei forțe de atracție intense între nucleoni. Spre deosebire de interacțiunea electromagnetică, cu rază infinită de acțiune și care asigură stabilitatea atomilor, forța nucleară trebuie să aibă o rază de acțiune foarte mică, de ordinul de mărime al dimensiunilor nucleului. În anul 1934, Hideki Yukawa a făcut ipoteza că această interacțiune tare este mediată de o particulă încă neidentificată, așa cum interacțiunea electromagnetică este mediată de foton. Calculele teoretice indicau o masă intermediară între masa electronului și masele nucleonilor, ceea ce a sugerat denumirea de mezon (din greacă: μέσος = mediu, intermediar).
Începând din 1947 și continuând în anii 1950, au fost observate, întâi în razele cosmice, apoi - odată cu intrarea în funcțiune a Bevatronului - și în laborator, o serie întreagă de particule, atât mezoni cât și barioni, care au fost numite „particule stranii”. Caracterul straniu consta în aceea că ele erau produse în abundență, în timpuri de ordinul 10-23 s, dar se dezintegrau relativ încet, tipic în timpuri de ordinul 10-10 s. Această comportare sugera că era vorba de două mecanisme diferite: particulele stranii erau produse de interacția tare, dar se dezintegrau prin interacția slabă.
În 1961, Gell-Mann a introdus o clasificare a particulelor care interacționează tare, denumite colectiv hadroni (din greacă: ἁδρός = gros, masiv), pe care a numit-o calea octuplă. În 1964, Gell-Mann (și, în mod independent, George Zweig) a formulat ipoteza că hadronii sunt particule compuse, alcătuite din unități elementare pe care le-a numit quarkuri (singular: quark). Erau postulate trei tipuri de quarkuri, zise flavors (arome): up (u), down (d) și strange (s). Quarkurile trebuia să fie fermioni de spin 1/2 și să aibă sarcină electrică fracționară (respectiv 2/3, -1/3 și -1/3 din sarcina elementară).
Descoperirea mezonului J/Psi de către grupurile Burton Richter la SLAC și Samuel Ting la Brookhaven National Laboratory (1974) a declanșat o serie de evenimente care, pentru semnificația lor deosebită, au fost denumite „revoluția din noiembrie”. Proprietățile ieșite din comun ale acestui mezon (masă și viață medie foarte mari) au putut fi explicate doar admițând existența unui al patrulea quark, denumit charm (c), fiind interpretat ca stare legată. Au fost observați noi mezoni și barioni „charmed” (în a căror structură intra quarkul c).
În anii 1960, Sheldon Glashow, Abdus Salam și Steven Weinberg au elaborat o descriere unificată a interacțiunilor electromagnetică și slabă: teoria cuantică a interacțiunii electroslabe. Teoria presupune existența unor bosoni vectoriali (de spin 1) intermediari, care să acționeze ca mediatori ai interacțiunii slabe. Pentru ca bosonii W și Z să aibă mase diferite de zero, este necesară intervenția mecanismului de rupere spontană a simetriei (spontaneous symmetry breaking), relevat de François Englert, Peter Higgs și alți cercetători, mecanism care implică existența unui boson scalar (de spin 0) foarte masiv.
În România, istoria fizicii particulelor începe în anul 1961, când a fost înființat, în cadrul Institutului de Fizică Atomică de la Măgurele, primul laborator de cercetare dedicat fizicii particulelor elementare la energii înalte. În prezent, Departamentul de Fizica Particulelor Elementare este implicat cu prioritate în experimentele CERN.
Care este cel mai mic lucru din univers? - Jonathan Butterworth
În fizica particulelor, o particulă elementară este o particulă subatomică ale cărei proprietăți pot fi înțelese fără a presupune că ea ar avea o structură internă. Modelul Standard este o teorie foarte bună, iar experimentele au dovedit acuratețea predicțiilor cu o precizie incredibilă. Deși toate particulele prezise de această teorie au fost descoperite, ea nu explică totul. De exemplu, gravitația nu este inclusă în Modelul Standard.
tags: #particula #fundamentala #cu #masa #0 #si