Modelul Standard din fizica particulelor

Modelul Standard. Ce nume plictisitor pentru cea mai corectă teorie științifică concepută de oamenii de ştiinţă până în prezent.

Mai mult de un sfert dintre Premiile Nobel pentru fizică din secolul trecut au fost acordate pentru studii având la bază teoria Modelului Standard. Ca fizician teoretician, aș fi preferat numele de „Teoria absolut uimitoare a aproape tot ce există”.

Probabil că mulţi dintre voi îşi amintesc de entuziasmul oamenilor de știință și al mass-mediei datorat descoperirii bosonului Higgs în anul 2012. Cu toate acestea, nu ştiu câţi dintre voi cunoaşteţi faptul că acel eveniment a reprezentat încununarea unei activităţi de cercetare asupra Modelului Standard care s-a desfăşurat pe parcursul a cinci decenii.

Toate încercările de până acum care au urmărit să demonstreze că Modelul Standard trebuie să fie revizuit în mod substanțial, deşi au existat multe tentative de acest fel în ultimii 50 de ani, au eșuat.

Pe scurt, Modelul Standard răspunde la două întrebări fundamentale: Din ce este formată materia? şi Cum se explică coeziunea materiei?

Cele mai mici blocuri ale materiei

Știți, desigur, că tot ceea ce vedem în jurul nostru este format din molecule, iar moleculele sunt formate din atomi. Chimistul Dmitri Mendeleev a înţeles acest lucru şi în anii 1860 a organizat toate elementele chimice în tabelul periodic despre care cu toţii am învăţat la şcoală.

Există aşadar 118 elemente chimice diferite, printre care se numără stibiu (Sb), arsenic (As), aluminiu (Al), seleniu (Se)… și încă alte 114 elemente chimice.

Tabelul periodic al elementelor. Credit: Rubén Vera Koster, CC BY-SA

Fizicienii preferă lucrurile simple şi din acest motiv au încercat să identifice blocurile de bază ale materiei din care sunt formate toate celelalte lucruri.

Anticii au crezut că totul este format din doar cinci elemente, pământ, apă, foc, aer și eter, iar în prezent vorbim de 118 elemente chimice constitutive ale materiei.

Până în anul 1932, oamenii de știință au crezut că atomii tuturor elementelor chimice sunt formaţi din doar trei particule, proton, electron şi neutron.

Despre neutroni și protoni se ştia că se află în nucleul atomilor, iar despre electroni, care sunt de mii de ori mai ușori, că se învârt în jurul nucleului cu viteze apropiate de cea a luminii. Fizicieni precum Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg și alţii tocmai inventaseră o nouă știință, mecanica cuantică, pentru a explica mișcarea electronilor.

În acel moment cineva ar fi putut susţine, cu satisfacţie, că fizicienii au înţeles structura materiei. Trei particule constitutive ale materiei înseamnă chiar mai puţin decât cele cinci elemente fundamentale ale anticilor.

Dar cum se menţine coeziunea materiei?

Electronii, încărcați electric negativ, și protonii, încărcați electric pozitiv, sunt legați împreună prin electromagnetism. În schimb, protonii din nucleul atomului s-ar respinge cu putere, iar prezenţa neutronilor, neutri din punct de vedere electric, nu asigură stabilitatea nucleului atomic.

Ce anume menţine protonii şi neutronii în nucleul atomului?

„Intervenția divină” mi-a spus odată cineva la un colț de stradă din Toronto. Acest scenariu pare să ridice o mulțime de probleme chiar și unei ființe divine, care ar trebui să ţină evidenţa şi să lege după propria voinţă cei 10^80 protoni și neutroni din Univers.

Lumea subatomică. Credit: Varsha Y S, CC BY-SA

Între timp, numărul particulelor fundamentale a devenit patru odată cu includerea fotonului, particula elementară a radiaţiei electromagnetice, pe care a descris-o Albert Einstein.

Patru a devenit cinci, atunci când Carl D. Anderson a descoperit pozitronul (particulă elementară care are aceeaşi masă cu a electronului, dar sarcină electrică pozitivă) din radiaţia cosmică în anul 1932.

Trebuie remarcat că fizicianul Paul Dirac a prezis existenţa particulelor de antimaterie în anul 1928.

Cinci a devenit șase, atunci când s-a descoperit pionul (mezonul π), despre care Hideki Yukawa a prezis că asigură stabilitatea nucleului atomic.

Apoi a urmat descoperirea miuonului (mezonul μ), care este de 200 de ori mai greu decât electronul, astfel încât numărul particulelor fundamentale a ajuns la şapte.

Până în anii 1960 s-au descoperit sute de particule „fundamentale”.

În locul unui tabel organizat al elementelor chimice, fizicienii aveau acum doar liste de barioni (particule grele cum ar fi protonii și neutronii), mezoni (cum ar fi pionii lui Yukawa) și leptoni (particule uşoare precum electronul și neutrinul) fără vreo organizare a acestora.

Cu toate acestea, la mijlocul anilor 1960, fizicienii au reuşit să creeze o teorie simplă având la bază cunoştinţele acumulate până în acel moment şi care în următoarele cinci decenii a fost dezvoltată şi verificată experimental.

În prezent, Modelul Standard al fizicii particulelor teoretizează modul prin care „blocurile” fundamentale ale materiei interacționează între ele prin intermediul forțelor fundamentale.

Modelul Standard include trei din cele patru interacţiuni fundamentale: forţa electromagnetică, forţa nucleară slabă şi forţa nucleară tare. Doar gravitaţia nu este integrată în teoria Modelului Standard.

Modelul Standard al particulelor elementare include particulele elementare şi forţele fundamentale. Credit: Fermi National Accelerator Laboratory, CC BY

Conform Modelului Standard, quarcurile ce formează protonii şi neutronii sunt de șase tipuri pe care fizicienii le-au denumit „arome”. Acest lucru ne duce cu gândul la înghețată, cu excepția faptului că în loc de vanilie, ciocolată și așa mai departe, avem quarcuri up, down, charm, strange, top și bottom.

În anul 1964, Gell-Mann și Zweig au descoperit „reţeta” prin care putem obţine diferiţi barioni. De exemplu, quarcurile up și down formează protonii și neutronii care se află în nucleul fiecărui atom.

Astfel, protonii sunt formaţi din două quarcuri up și un quarc down, în timp ce neutronii sunt formaţi din două quarcuri down și un quarc up.

Mezonii sunt formaţi din perechi quarc-antiquarc.

Quarcurile sunt legate între ele atât de strâns încât niciodată nu vom găsi vreun quarc sau un antiquarc izolat. Legătura dintre quarcuri se datorează gluonilor (particule de schimb ce intermediază interacţiunile dintre quarcuri), iar teoria ce o descrie se numește cromodinamica cuantică.

Un alt aspect al Modelului Standard îl reprezintă „Modelul Leptonilor„. Acesta este numele unei lucrări a lui Steven Weinberg din anul 1967 în care acesta a utilizat mecanica cuantică şi cunoștințele cu privire la modul prin care particulele elementare interacționează între ele într-o singură teorie.

Această teorie include electromagnetismul şi ceea ce fizicienii denumesc „forța nucleară slabă„, care este responsabilă pentru anumite dezintegrări radioactive.

În această teorie forţa electromagnetică şi forţa nucleară slabă sunt două aspecte diferite ale aceleiași forțe. Mai mult, această teorie include mecanismul Higgs prin care particulele fundamentale dobândesc masă.

De atunci, Modelul Standard a prezis unele rezultate experimentale remarcabile, inclusiv descoperirea bosonilor W și Z, particule grele care sunt responsabile pentru interacţiunea nucleară slabă.

Posibilitatea ca neutrinii să aibă masă a fost trecută cu vederea în anii 1960, dar a fost prevăzută în Modelul Standard în anii 1990.

Premiul Nobel pentru fizică din anul 2015 le-a fost acordat fizicienilor Takaaki Kajita şi Arthur B. McDonald pentru descoperirea experimentală a oscilaţiilor neutrinilor, fenomen care demonstrează că aceste particule au masă.

Particulele subatomice conform Modelului Standard. Credit: James Childs, CC BY

În anul 2012 a fost descoperit bosonul Higgs. Chiar dacă această descoperire a stârnit mult entuziasm, pentru fizicieni nu a fost o surpriză, deoarece existenţa acestei particule a fost anticipată cu mult timp în urmă de Modelul Standard.  A fost doar o altă victorie importantă a Modelului Standard împotriva celor care susţineau că este necesară o revizuire a teoriei Modelului Standard.

Preocupaţi de faptul că Modelul Standard nu include gravitaţia şi că nu îndeplineşte, în mod adecvat, cerinţele de simplitate şi coerenţa matematică, mai mulţi fizicieni au elaborat mai multe propuneri de teorii dincolo de Modelul Standard. Printre aceste teorii cu nume interesante se numără Marea Teorie Unificată (Grand Unified Theory), Teoria Supersimetriei (Supersymmetry), Teoria Technicolor și Teoria Corzilor (String Theory).

Din păcate, cel puțin pentru susţinătorii lor, până în prezent aceste teorii nu au prezis cu succes niciun fenomen experimental nou şi nicio discrepanță experimentală cu Modelul Standard.

După cinci decenii, Modelul Standard merită sărbătorit şi recunoscut drept „Teoria absolut uimitoare a aproape tot ce există”.

Traducere şi adaptare după The Standard Model of particle physics: The absolutely amazing theory of almost everything