Ce sunt particulele elementare?

De multe ori se afirmă că grecii antici au fost primii care au intuit existenţa unor particule care nu au dimensiune, dar care compun toată lumea din jurul nostru prin intermediul interacțiunilor dintre ele. Și din moment ce putem observa lumea în detalii din ce în ce mai fine prin intermediul microscoapelor tot mai performante, este firesc să ne întrebăm din ce sunt formate obiectele din natură.

Epoca leptonilor de după Big Bang. Credit:Big Bang – Shutterstock

Noi credem că am găsit unele dintre aceste particule subatomice sau particule fundamentale. Acestea sunt considerate punctiforme, fără structură internă. În prezent încercăm să explicăm proprietățile acestor particule pentru a înţelege modul în care ele pot fi utilizate pentru a explica tot ce există în Univers.

Există două tipuri de particule fundamentale: particule având masă, cele care se combină pentru a forma toată materia din Univers și particule purtătoare de forță, dintre care una, fotonul, este responsabilă pentru radiațiile electromagnetice. Toate acestea sunt clasificate în Modelul Standard al fizicii particulelor, cel care teoretizează modul prin care „blocurile” fundamentale ale materiei interacționează între ele prin intermediul forțelor fundamentale. Fermionii sunt particulele cu masă, iar bosonii sunt particulele forță.

Fermionii: quarcuri şi leptoni

Fermionii sunt împărţiţi în două grupe: quarcuri și leptoni. Există șase tipuri de quarcuri și șase tipuri de leptoni.

Leptonii sunt împărţiţi în trei perechi. Fiecare pereche conţine o particulă elementară cu sarcină electrică și una fără sarcină electrică. Aceasta din urmă este mult mai ușoară și este extrem de greu de detectat. Cea mai uşoară pereche este cea formată din electron și neutrinul electronic.

Credit: James Childs, CC BY

Electronul este responsabil pentru curentul electric. Partenerul său fără sarcină, cunoscut sub numele de neutrin electronic, este produs în Soare, iar acesta interacționează atât de slab cu materia încât trece practic nestingherit prin aceasta. Un milion dintre aceştia trec prin fiecare centimetru pătrat al corpului vostru în fiecare secundă, zi și noapte.

Neutrinii electronici sunt produşi într-un număr inimaginabil de mare în timpul exploziilor de supernovă. Aceştia dispersează în Univers elementele chimice produse în nucleul stelar. Printre aceste elemente se numără carbonul din care suntem cu toţii făcuţi, oxigenul pe care îl respirăm și aproape orice altceva de pe Pământ. Prin urmare, în ciuda faptului că neutrinii interacţionează foarte slab cu alte particule fundamentale, ei sunt vitali pentru existența noastră. Celelalte două perechi de leptoni (ce cuprind miuonul și neutrinul miuonic, respectiv tauonul şi neutrinul tauonic) par a fi doar versiuni mai grele ale primei perechi.

Tubul catodic al lui J. J. Thomson folosit la descoperirea electronului. Credit Science Museum London, CC BY-SA

Deoarece materia obişnuită nu conține aceste particule s-ar putea crede că această situaţie reprezintă o complicație inutilă. Cu toate acestea, aceste particule au avut un rol crucial în stabilirea structurii Universului în care trăim într-o perioadă de timp cunoscută sub numele de epoca leptonilor.

Cele șase tipuri de quarcuri sunt, de asemenea, împărțite în trei perechi. Acestea sunt formate din quarcul „up” şi „down”, „charm” şi „strange” ” și respectiv „top” şi „bottom” (denumiţi anterior „truth” și „beauty”). Quarcurile up și down formează protonii și neutronii care se află în nucleul fiecărui atom. Din nou, doar cea mai uşoară pereche de quarcuri se găseşte în materia obişnuită, perechile de quarcuri charm/strange și top/bottom par să nu joace niciun rol în Univers. La fel ca în cazul leptonilor mai grei, cele mai masive quarcuri au jucat un rol important în primele momente ale Universului și au ajutat la crearea unui tip de quarc care este responsabil de existența noastră.

Particulele purtătoare de forţă

În Modelul Standard există șase particule de forță care creează interacțiunile dintre particulele de materie. Există patru forțe fundamentale: forța gravitațională, forța electromagnetică, forța tare și forța slabă.

Fotonul este purtătorul radiaţiei electromagnetice și el este responsabil pentru câmpurile electrice și magnetice. Acestea sunt create prin schimbul de fotoni dintre obiectele încărcate electric.

Gluonul produce forța tare care leagă quarcurile pentru a forma protoni și neutroni. Forţa tare ţine la un loc protonii şi neutronii pentru a forma nuclee mai grele.

Alte trei particule, denumite „W+”, „W-” și „Z-0″, sunt responsabile pentru procesul de dezintegrare radioactivă și pentru procesele ce au loc în Soare şi care provoacă strălucirea acestuia. Se crede că a şasea particulă de forță, gravitonul, este responsabilă pentru gravitație, dar aceasta nu a fost încă observată.

Antimateria: realitatea science-fiction

Știm, de asemenea, de existenţa antimateriei. Este un concept foarte apreciat de scriitorii de science-fiction, dar aceasta chiar există. Particulele de antimaterie au fost observate în mod frecvent. De exemplu, pozitronul (antiparticula electronului) este utilizat în medicină pentru vizualizarea organele interne folosind tomografia cu emisie de pozitroni (PET-positron emission tomography). Atunci când o particulă se întâlnește cu o antiparticulă acestea se anihilează reciproc și este eliberată energie. Un scanner PET este folosit pentru a detecta această energie.

Particulele de materie prezentate mai sus au câte o particulă partener de aceeași masă, dar cu o sarcină electrică opusă, astfel încât putem dubla numărul particulelor de materie (șase quarcuri și șase leptoni) pentru a ajunge în final la un număr de 24.

Numărul net de quarcuri din Univers nu variază. Dacă avem suficientă energie, putem crea orice tip de quarc de materie, atâta timp cât vom crea în același timp un quarc de antimaterie. În primele momente ale Universului aceste particule au fost generate în mod continuu. În prezent, acestea sunt create doar în urma ciocnirilor dintre razele cosmice şi atmosfera planetelor sau stelelor.

Celebrul boson Higgs

Aceasta este ultima particulă care a completat tabloul nominal al particulelor, aşa cum este descris în prezent de Modelul Standard al fizicii particulelor. Bosonul Higgs a fost prezis de Peter Higgs acum 50 de ani și a fost descoperit în anul 2012 în cadrul CERN. Pentru aceasta Higgs și Francois Englert au primit Premiul Nobel.

Bosonul Higgs este o particulă ciudată. Ea ocupă poziţia a doua, după mărimea masei, în rândul particulelor din Modelul Standard. Se spune adeseori că această particulă stă la originea masei, ceea ce este adevărat, dar şi înșelător în acelaşi timp. Ea conferă masă quarcurilor, iar quarcurile formează protonii și neutronii, dar numai 2% din masa protonilor și neutronilor este asigurată de către quarcuri, restul provenind de la energia gluonilor.

Acestea sunt particulele cuprinse în Modelul Standard: șase particule purtătoare de forţă, 24 particule de materie și o particulă Higgs, un total de 31 de particule elementare. În ciuda a ceea ce știm despre ele, proprietățile acestora nu au fost măsurate destul de precis pentru a ne permite să afirmăm că acestea formează tot ceea ce vedem în jurul nostru, iar noi, cu siguranță, nu cunoaştem toate răspunsurile la întrebările despre ele. Noul Large Hadron Collider ne va permite să ne rafinăm măsurătorile cu privire la unele dintre proprietățile acestor particule.

Acceleratorul de particule LHC. Credit Image Editor, CC BY

Teoria actuală este greșită

Teoria modelului standard a fost testată și retestată timp de mai mult de două decenii și încă nu există o măsurătoare care să fie în contradicție cu previziunile noastre. Cu toate acestea, noi știm că Modelul Standard este greșit. În urma ciocnirii a două particule fundamentale pot rezulta diferite efecte. Teoria ne permite să calculăm probabilitatea de a apare un anume rezultat particular, dar la energii mai mari decât cele obținute în mod curent ea ne prezice că unele dintre aceste rezultate apar cu o probabilitate mai mare de 100%, ceea ce este, în mod clar, un nonsens.

Fizicienii teoreticieni s-au străduit să construiască o teorie care să ne furnizeze răspunsuri în funcţie de energia implicată, acestea fiind aceleaşi cu cele furnizate de Modelul Standard, în fiecare circumstanță în care acesta a fost testat.

Se presupune că există particule nedescoperite, foarte grele. Faptul că sunt grele înseamnă că este nevoie de o energie mare pentru producerea lor. Proprietățile acestor particule suplimentare pot fi alese pentru a ne asigura că teoria rezultată oferă răspunsuri raţionale în funcţie de energia disponibilă, dar care să nu aibă niciun efect asupra măsurătorilor care se potrivesc atât de bine cu Modelul Standard.

Numărul acestor particule nedescoperite depinde de teoria pe care o considerăm că este corectă. Cea mai populară teorie din această clasă de teorii este denumită teoria supersimetriei. Aceasta presupune că toate particulele pe care le-am prezentat mai sus au câte un partener mult mai greu. Absența unor particule noi în urma ciocnirii fasciculelor de particule accelerate de noul LHC va reprezenta o lovitură pentru toate teoriile supersimetrice.

Traducere şi adaptare după Explainer: what are fundamental particles?