Aventura particulelor elementare - Partea I: Ce e cu adevărat fundamental?

Aventura particulelor elementare - Partea I: Ce e cu adevărat fundamental?

Scris de Irina Joantă pe 30 Septembrie 2008 (Marţi). Ultima actualizare pe 06 Aprilie 2009 (Luni)

Acestă serie de articole se vrea o primă incursiune în fizica particulelor elementare, explicând pas cu pas ceea ce se ştie despre cărămizile elementare ale materiei şi despre universul subatomic. Textul este tradus cu permisiune scrisă de pe siteul ParticleAdventure.org de către voluntari ai echipei StiintaAzi.ro. 

Vizita aceasta ghidata reprezintă traducerea siteului Particle Adventure (Aventura Particulelor, pe care o puteţi citi aici), site creat de 'Particle Data Group' (PDG). PDG creează anual şi o sinteză a ultimelor cunoştinţe din fizica particulelor, aşa numita "Biblie" a fizicii particulelor, pe care o puteţi citi aici. Autorii acestui site ne-au dat acordul de a traduce site-ul acesta acum aproape doi ani. De asemenea, pe site-ul actual este menţionat că putem folosi textele, pozele, animaţiile lor, dacă le dăm credit. Şi aceasta şi facem. Mulţumim Particle Adventure pentru a pune la dispoziţia publicului o Vizită Ghidată în fizica particulelor, care este de acum disponibilă şi publicului român! Vizită placută!

Întrebări eterne

Oamenii s-au întrebat dintotdeauna din ce este făcută lumea şi ce o face stabilă. De ce atât de multe lucruri din lume au aceleaşi caracteristici?

În Grecia antică, filosofii au bănuit că materia din care e făcută lumea se constituie din câteva elemente fundamentale ale naturii.

Cuvântul "fundamental", cu sensul de „elementar” este aici cheia. Prin elemente fundamentale înţelegem obiecte simple şi fără structură, care nu sunt alcătuite din ceva mai mic. Încă din vremurile antice, oamenii au căutat să organizeze lumea din jurul lor în elemente fundamentale, cum sunt pământul, aerul, focul şi apa.
 
Atomul

Astăzi ştim că există ceva "mai fundamental" decât pământul, apa, aerul şi focul…

Prin convenţie este culoare,
Prin convenţie dulceaţă,
Prin convenţie amăreală,
Dar în realitate sunt atomi şi spaţiu.
Democritus (aprx. 469 î.Ch.)

În jurul anului 1900, oamenii considerau atomii ca bile permeabile încărcate cu sarcini electrice jucăuşe în interiorul atomului.
 
Dar este atomul fundamental?

Curând, oamenii au realizat ca ar putea clasifica atomii în grupuri care partajează proprietăţi chimice asemănătoare (ca în Tabelul Periodic al elementelor).  Aceasta sugera că atomii erau la rândul lor alcătuiţi din alte elemente mai simple şi că aceste elemente mai simple combinate în feluri diferite creau diferite specii de atomi cu variate proprietăţi.
 
Mai mult, experimentele care „priveau” în structura atomului, folosind particule drept probe, au arătat că atomii au o structură, nu sunt doar bile permeabile. Aceste experimente i-au ajutat pe oamenii de ştiinţă să descopere că un atom are un nucleu pozitiv mic, dar dens, şi un nor de electroni negativi (e-).

Aşadar atomul nu este fundamental, este format din nucleu şi electroni.
 
Atunci poate este nucleul fundamental?

Pentru că este mic, solid şi dens, oamenii de ştiinţă au crezut iniţial că nucleul e fundamental. Mai târziu însă, ei au descoperit că acesta este constituit din protoni (p+), care sunt încărcaţi pozitiv, şi neutroni (n), care nu sunt încărcaţi electric.

Aşadar, nici nucleul nu este fundamental, ci este format din protoni şi neutroni.
 
Sau poate sunt protonii şi neutronii fundamentali?

Fizicienii au descoperit ca până şi protonii şi neutronii se compun din particule chiar mai mici, numite cuarci. Din câte ştim, cuarcii au rază zero şi deci nu au dimensiune, ca şi punctele în geometrie. Ei nu sunt alcătuiţi din altceva. Aşadar, cuarcii sunt fundamenali.

Aşadar, nici protonii şi nici neutronii nu sunt fundamentali, dar cuarcii din care sunt ei formaţi sunt. Dupa ce au testat pe larg această teorie, oamenii de ştiinţă bănuiesc acum că electronul şi cuarcii (şi alte câteva particule de care vom vorbi in câteva minute) sunt fundamentale. Dar să revenim să privim atomul mai atent.
 
Modelul modern al atomului

Electronii se află într-o mişcare continuă în jurul nucleului, protonii şi neutronii „tremură” uşor în interiorul nucleului, iar cuarcii „dansează” uşor înlăuntrul protonului şi neutronilor.

Atenţie! Această fotografie este foarte de distorsionată. Dacă am desena atomul la scală şi am da protonilor şi neutronilor un centimetru în diametru, atunci electronii şi cuarcii ar avea mai puţin decât diametrul unui fir de păr, iar întregul diametru al atomului ar fi mai mare decât lungimea a treizeci terenuri de fotbal! 99.999999999999% din volumul unui atom este doar spatiu gol!

Componentele atomului, cu dimensiunile lor specifice

Ce caută fizica particulelor?

Fizicienii caută în mod constant particule noi. Când le găsesc, ei le clasifică şi încearcă să găsească şabloane care ne spun cum interacţionează building blocks fundamentale din univers. Până în prezent s-au descoperit aproximativ două sute de particule (dintre care majoritatea nu sunt fundamentale). Pentru a le ţine, acestea au fost numite cu litere ale alfabetelor grec şi latin.

Desigur, numele particulelor nu sunt decât o mica parte a oricărei teorii a fizicii. Nu ar trebui să vă descurajaţi dacă aveţi probleme în a reţine aceste nume. Luaţi aminte, chiar şi marele Enrico Fermi a spus odată studentului său (viitorul laureat Nobel) Leon Lederman: “Tinere, dacă mi-aş putea aminti numele acestor particule, aş fi fost botanist.”

Mă scuzaţi, sunteţi o particulă fundamentă?

Modelul Standard

Fizicienii au dezvoltat o teorie numită Modelul Standard, care explică ce este lumea şi ce o face să fie unită. Este o teorie simplă şi cuprinzătoare, care explică toate sutele de particule şi interacţiunile lor complexe cu doar: 6 cuarci, 6 leptoni, (cel mai cunoscut lepton este electronul), particule mediatoare ale forţelor şi interacţiilor (cel mai cunoscut este fotonul).

Toate particulele cunoscute ale materiei sunt compuse din cuarci şi leptoni şi ele interacţionază unele cu altele prin schimbul de particule mediatoare specifice fiecăruia din cele patru tipuri fundamentale de interacţii sau forţe (forţa gravitaţioanală, forţa electromagnetică, forţa nucleară tare şi forţa nucleară slabă).

Modelul Standard este o teorie bună. Experimentele au verificat toate predicţiile sale cu o precizie incredibilă şi au fost găsite toate particulele prezise de către această teorie, mai puţin una, anume particula Higgs care explică de ce materia are masă. Dar ea nu explică tot. De exemplu, forţa gravitaţională nu este explicată de Modelul Standard, deoarece ea este atât de slabă la scara particulelor, încât este complet neglijabilă.

Această vizită ghidată (traducere a siteului Particle Adventure; în unele locuri am adaptat puţin textul) va explora în detaliu amănunţit Modelul Standard şi va descrie tehnicile experimentale care ne-au oferit datele pentru a susţine această teorie. Vom explora de asemenea întrebările intrigante din afara înţelegerii noastre curente a felului în care funcţionează  Universul.

Acest articol este tradus din site-ul Particle Adventure (creat de Particle Data Group), capitolul "What is fundamental?". A fost tradus de Irina Joantă pentru www.StiintaAzi.ro si www.FizicaParticulelor.ro.