Particule elementare

Atomistii greci credeau ca intreaga materie este alcatuita din atomi si probabil ei au sesizat primii ca extrema diversitate a aspectelor materiei poate fi explicata prin diferitele configuratii ale atomilor. Astazi fizicienii au o parere asemanatoare, dar cu siguranta ca este o enorma diferenta intre teoriile lor cantitative si speculatiile confuze ale anticilor. Ce se [...]

Atomistii greci credeau ca intreaga materie este alcatuita din atomi si probabil ei au sesizat primii ca extrema diversitate a aspectelor materiei poate fi explicata prin diferitele configuratii ale atomilor. Astazi fizicienii au o parere asemanatoare, dar cu siguranta ca este o enorma diferenta intre teoriile lor cantitative si speculatiile confuze ale anticilor.

Ce se intelege printr-o particula elementara?

Definitia precisa a acestui termen este oarecum controversata insa se refera la ceva simplu, indivizibil, fara structura interna. Atomii s-au dovedit a fi divizibili. Sunt formati din electroni si nucleoni (protoni si neutroni). Deci atomii nu sunt particule elementare. Acest statut i se atribuie electronului protonului si neutronului chiar daca cei doi de pe urma sunt formati din quarci.In present, electronilor si altor leptoni nu li s-a descoperit o anumita structura interna.

Prima particula elementara descoperita a fost electronul (J. J. Thomson 1897), apoi protonul si neutronul. S-a crezut ca aceste particule impreuna cu fotonul sunt suficiente pentru a intelege lumea. Dar curand Anderson descopera pozitronul lui Dirac. Astfel se va stabili ca fiecarei particule ii corespunde o antiparticula de care se deosebeste prin semnul sarcinii (particula cu sarcina nula coincide cu antiparticula sa, exemplu fotonul).Iar odata cu dezvoltarea fizicii nucleare se vor descoperi peste 300 particule. Se considera ca majoritatea acestor particule sunt compuse din quarci (in numar de 6 sau 12 cu antiquarcii). Si mai mult fortele care mentin protonii si neutronii in nucleu, nu sunt de natura electromagnetica (EM).

Interactiunile caracteristice nucleonilor au primit denumirea de interactiuni tari. Descoperirea instabilitatii neutronului a indicat existenta unui alt tip de interactiuni: interactiuni slabe. Interactiunile EM, slabe, tari si gravitationale sunt cele care stabilesc legile fizicii, par a fi manifestari de aceeasi natura si ar trebui descrise in mod similar. Exista deja modele teoretice care descriu in mod unitar toate tipurile de interactiuni.

Clasificarea particulelor elementareParticulele elementare se clasifica dupa valoarea numarului cuantic de spin si dupa valoarea masei de repaus. Particulele cu numar cuantic de spin semi-intreg pot fi descrise de statistica Fermi-Dirac si sunt denumite fermioni, iar cele cu numar cuantic de spin intreg sau zero sunt descrise de statistica Bose-Einstein si sunt numite bosoni.

Dupa valoarea masei de repaus se clasifica in particule fara masa de repaus, particule usoare (leptoni), particule grele (barioni) si particule cu masa intermediara (mezoni).Exista si o clasificare din punct de vedere al interactiunilor: particulele carora le sunt caracteristice

interactiunile tari sunt numite adroni (aici intra barionii protoni,neutroni,hiperoni- si mezonii). Leptonii sunt cei care nu participa la interactiunile tari. Fiecarui lepton cu sarcina ii corespunde o particula neutra neutrin.

Ipoteza existentei acestei particule cu masa aproape nula a fost propusa de Pauli pentru a salva legea conservarii energiei in dezintegrarea beta radioactiva. Neutrinul si antineutrinul sunt caracterizate prin sarcina nula, iar masa lor de repaus se apropie de zero. Pot fi generati atat prin reactii de genul dezintegrarii beta radioactive, cand sunt numiti neutrini (antineutrini) electronici dar si prin reactii de dezintegrare a mezonilor, cand sunt numiti neutrini (antineutrini) miuonici.

Leptonilor le sunt anexate asa-numita sarcina leptonica L. Aceasta marime ia valoarea +1 pentru e -, -, -, e, , , si -1 pentru antiparticulele lor. Introducerea acestei marimi se datoreaza faptului ca intr-un sistem inchis numarul intreg de leptoni minus numarul intreg de antileptoni este constant. Fiecare pereche de leptoni (e-, e), (

-, ), ( -, ) poseda o sarcina leptonica specifica Le, L, L. In felul acesta se observa ca un neutrin electronic ciocnind un neutron da nastere numai electronului, nu miuonului sau tau-leptonului. In prezent se discuta posibilitatea neutrinilor de a-si schimba in timp sarcina leptonica, transformandu-se astfel in neutrin de alt tip. Barionilor, asemenea leptonilor le este anexata o anumita sarcina barionica.

Modelul quarc-tic al adronilorToti adronii, conform conceptelor contemporane sunt formati din particule mai fundamentale numite quarci (q). Quarcii sunt fermioni, au spinul 1/2, sarcina electrica + 2/3 si -1/3 (un. sarcina electronului). Sarcina antiquarcilor este -2/3 si +1/3 . Toti quarcii au sarcina barionica B = 1/3 si sarcina leptonica L=0.Asemenea leptonilor quarcii se grupeaza in perechi, ba chiar are loc un fel de simetrie quarc-leptonica. Fiecarei perechi de leptoni ii corespunde o pereche de quarci dupa cum se vede in tabelul proprietatilor. Perechii (e, e.) ii corespund quarcii (u,d). Acestia sunt cei mai usori quarci. Din trei quarci de acest fel putem construi un proton p=(uud) sau neutron n=(udd). Din perechile quarc-antiquarc sunt construiti mezonii. Sirul (u,d, e., e) formeaza asa-numita prima generatie quarc-leptonica. Sunt cunoscute inca 2 generatii care contin particule mai grele.

Datele cosmologice vorbesc despre lipsa altor generatii decat cele prezentate in tabel. Intr-adevar, 3 generatii sunt de-ajuns pentru a explica teoretic diversitatea proprietatilor particulelor si antiparticulelor. Fiecare din quarcii grei(c,s,t,b) poseda un numar cuantic propriu C,S,T sau B.

Particulele care contin quarcul s sunt numite stranii. Teoretic, daca inlocuim 2 sau 3 quarci in nucleon, putem explica existenta tuturor tipurilor de barioni stranii cum sunt hiperonii. Prin analogie putem inlocui quarcii -u- sau -d- din componenta pi-mezonului introducand quarcul s si astfel obtinem mezonii K etc.

Fiecare quarc poseda si un numar cuantic numit culoare. Culoarea este o analogie mai complicata a sarcinii electrice. Existenta culorii explica interactiunile tari ale quarcilor dar si interactiunile slabe ale leptonilor (care nu poseda quarci). Interactiunile cromatice se fac prin intermediul cuantelor de interactiuni tari gluonii. Exista 8 tipuri diferite de gluoni, toti poseda sarcina cromatica si de aceea interactioneaza unul cu altul. Aceasta este cauza unui fenomen nou numit confinement. Ideea este ca nu putem observa quarcul in mod liber deoarece exista numai in perechi quarc-antiquarc, tripleti (qqq) sau alte combinatii mai complicate asa incat sarcina electrica a grupului sa fie un numar intreg.Toate aceste combinatii poseda sarcina cromatica nula. In incercarea de a obtine un quarc liber (adica a-i comunica o energie destul de mare pentru a-l smulge din adron si a-l duce la o distanta destul de mare de acesta) energiile utilizate sunt foarte mari iar intensitatea campului cromatic al quarcului este asa de mare incat au loc fluctuatii din eter se naste o pereche quarc-antiquarc.

Antiquarcul format se misca impreuna cu quarcul care trebuia smuls iar fizicienii obtin astfel o particula complexa si nu un quarc liber. Acest proces se numeste confinement. Din aceeasi cauza gluonii nu au fost observati in stare libera.

Partea fizicii care se ocupa cu cercetari asupra interactiunilor quarcilor si gluonilor este numita cromodinamica cuantica. Cromodinamica cuantica este teoria care explica interactiunile tari ale particulelor elementare. La nivelul contemporan al stiintei despre ceea ce inseamna particula elementara cunoastem 6 leptoni (e-, e,

-, , -, ), 6*3=18 quarci dar si cuante ale interactiunilor:

fotonul pentru interactiunea EM, 8 gluoni pentru interactiunile tari, W+- si bosonii Z0. pentru interactiunile slabe dar si gravitonul pentru campul gravitational.Leptonii si quarcii au spinul egal cu 1/2, iar cuantele de interactiuni spinul 1 (mai sunt numiti bosoni-vectori).

Existenta tuturor acestor particule a fost adeverita de experienta. Pe langa acestea, teoria cere existenta unui camp scalar constant in spatiu care interactioneaza diferit cu leptonii si quarcii. Cuantele campului scalar reprezinta noile particule cu spin egal cu zero. Sunt numite bosoni Higgs, dupa savantul care a prezis existenta lor. Numarul mare de particule elementare ii determina pe fizicieni sa caute un model in care toate familiile de quarci, leptoni, cuante de interactiuni dar si bosonii Higgs ar fi compusi din entitati mai fundamentale numite preoni.

Referinte: Fizica Generala Luca, Zet, Ciubotariu, Fizica Spatiului I.Zeldovici