particule elementare10

8/8/2019 particule elementare10

1/21

Pintilie Ana MariaPintilie Ana Maria

Particule elementareParticule elementare


2/21

Particulele elmentare sunt particule constitutive ale nucleului atomic si aParticulele elmentare sunt particule constitutive ale nucleului atomic si ainveslisului sau electronic sau particule care apar in urma interactiunii razelorinveslisului sau electronic sau particule care apar in urma interactiunii razelorcosmice cu substanta sau a interactiunii particulelor accelerate cu substanta.cosmice cu substanta sau a interactiunii particulelor accelerate cu substanta.Denumirea de elementar se refera la faptul ca nu mai pot fi descompuse in alteDenumirea de elementar se refera la faptul ca nu mai pot fi descompuse in alteparticule de dimensiuni mai mici.particule de dimensiuni mai mici.

Ideea existenei unor asemenea entiti fundamentale dateaz din timpul GrecieiIdeea existenei unor asemenea entiti fundamentale dateaz din timpul Grecieiantice, de la filosofii greci Leucip i Democrit, n secolul V nainte de Hristos. Eiantice, de la filosofii greci Leucip i Democrit, n secolul V nainte de Hristos. Eicredeau c ntreaga materie din care este alctuit Universul este format din crmizicredeau c ntreaga materie din care este alctuit Universul este format din crmiziindivizibile ( pe care leindivizibile ( pe care le--au numit atomi, de la aau numit atomi, de la a--tomos, care n greac nseamntomos, care n greac nseamnindivizibil).Sindivizibil).S--a demonstrat insa ulterior ca atomii in conceptia noastra actuala nua demonstrat insa ulterior ca atomii in conceptia noastra actuala nucorespund conceptului din antichitate, deoarece nu sunt indivizibili. Pn acum circacorespund conceptului din antichitate, deoarece nu sunt indivizibili. Pn acum circadouzeci de ani sdouzeci de ani s--a crezut c protonii i neutronii erau particulele "elementare", dara crezut c protonii i neutronii erau particulele "elementare", dar

experimentele n care protonii se ciocneau cu ali protoni sau cu electroni cu vitezexperimentele n care protonii se ciocneau cu ali protoni sau cu electroni cu vitezmare artau c ei erau formai, de fapt, din particule mai mici.mare artau c ei erau formai, de fapt, din particule mai mici.


3/21


4/21

Pentru ca lungimea de unda a luminii este mult mai mare decat un atom, nuputem spera sa observam in mod obisnuit partile componente ale acestuia.Este nevoie de ceva cu o lungime de unda mult mai mica. Dupa cum stim,fiecarei particule ii este asociata o unda si ca, cu cat este mai mare energiaparticulei, cu atat este mai mica lungimea de unda corespunzatoare.n secolulal nousprezecelea, cnd singurele energii ale particulelor pe care oamenii

tiau s le foloseasc erau energiile joase de civa electron-voli generate dereacii chimice cum este arderea, se credea c atomii erau unitile cele maimici. Recent, s-au descoperit metode de a utiliza cmpurile electromagneticepentru a da particulelor energii la nceput de milioane i apoi de miliarde deelectron-voli. i astfel aflam c particulele care erau considerate "elementare"acum douzeci de ani sunt formate, de fapt, din particule mai mici. Se poate

ca, pe msur ce mergem spre energii mai nalte s gsim c acestea suntformate din particule i mai mici? Desigur, acest lucru este posibil, dar avemunele motive teoretice s credem ca suntem foarte aproape de a cunoate,ultimile crmizi ale naturii.


5/21

*un mod de a considera spinul este de a imagina particulele ca nite

mici titirezi care se rotesc n jurul unei axe. Totui, aceasta poate conduce la o

nelegere greit, deoarece mecanica cuantic ne spune c particulele nu au oax bine determinat. Ceea ce ne spune n realitate spinul unei particule este

cum arat particula din diferite direcii. O particul de spin 0 este ca un punct:

ea arat la fel din diferite direcii. Pe de alt parte, o particul de spin 1 este ca

o sgeat: ea arat diferit din direcii diferite. Particula arat la fel numai dac

se efectueaz o rotaie complet (360 grade). O particul de spin 2 este ca osgeat dubl: ea arat la fel dac se efectueaz o jumtate de rotaie (180

grade). Asemntor, particulele de spin mai mare arat la fel dac se rotesc cu

fraciuni mai mici dintr-o rotaie complet.

De retinut:*fiecare particula este caracterizata de masa, sarcina electrica, spin,

moment magnetic, durata de viata medie si proprietati caracteristice.


6/21

Modelul standardModelul standard

In fizica, dinamica materiei in natura este inteleasa in termeni de cinematica si deIn fizica, dinamica materiei in natura este inteleasa in termeni de cinematica si deinteractii ale particuleleinteractii ale particulelellor elementare.Modelul Standard reuneste doua teoriior elementare.Modelul Standard reuneste doua teoriimajore: interactiunmajore: interactiuneaea slabslaba cuanticaa cuantica sisi chromodinachromodinamica cuanticamica cuantica, descriind tipurile, descriind tipurilede forte observate experimental dintre particule. In Modelul Standard sunt incluside forte observate experimental dintre particule. In Modelul Standard sunt inclusi

fermionii( dintre care sase sunt quarci si sase sunt leptoni), antiparticulelefermionii( dintre care sase sunt quarci si sase sunt leptoni), antiparticulelecorespondente si bosonii. Intrucat se banuieste existenta si a altor particule (sprecorespondente si bosonii. Intrucat se banuieste existenta si a altor particule (spreexemplu gravitonul),Modelul Standard este considerat provizoriu.exemplu gravitonul),Modelul Standard este considerat provizoriu.

Diferenta dintre cele trei categorii de particule fundamentale este urmatoarea:Diferenta dintre cele trei categorii de particule fundamentale este urmatoarea:

-- cele asociate cu materie/antimaterie sunt fermioni/antiparticule corespondentecele asociate cu materie/antimaterie sunt fermioni/antiparticule corespondente

fermionilor;fermionilor;-- cele asociate cu fortele fundamentale sunt bosoni.cele asociate cu fortele fundamentale sunt bosoni.

*chromodinamica cuantica: teoria unor anumite tipuri de interactii dintre cuarci si gluoni*chromodinamica cuantica: teoria unor anumite tipuri de interactii dintre cuarci si gluoni


7/21

Dincolo de modelul StandardDincolo de modelul Standard

Desi toate dovezile experimentale confirma predictiileModelului Standard,Desi toate dovezile experimentale confirma predictiileModelului Standard,multi fizicieni considera acest model nesatisfacatormulti fizicieni considera acest model nesatisfacator din cauzadin cauza unor parametriunor parametri

nedeterminati si a unor particule inca nedescoperite, dar a caror existenta estenedeterminati si a unor particule inca nedescoperite, dar a caror existenta estebanuita. Exista multe teorii speculative care incearca sa acopere aceste goluribanuita. Exista multe teorii speculative care incearca sa acopere aceste goluri::

1.1. GUT (Grand Unification Theory)GUT (Grand Unification Theory)

2.2. Teoria SupersimetrieiTeoria Supersimetriei

3.3. Teoria StringurilorTeoria Stringurilor

4.4. Teoria preonilorTeoria preonilor


8/21

particule

fundamentale

fermioniantiparticule

corespondente

Prima generatie

ElectronulNeutrino electronic

Quark upQuark down

A doua generatie

MiuonNeutrino miuonic

Quark charmQuark strange

A treia generatie

TauNeutrino tauonic

Quark topQuark bottom

Prima generatie

PositronulAntineutrino electronic

Antiquark upAntiquark down

A doua generatie

Miuon pozitivAntineutrino miuonic

Antiquark charmAntiquark strange

A treia generatie

Tau pozitivAntineutrino tauonic

Antiquark topAntiquark bottom


9/21

bosoni

bosoni Gaugealte tipuri

de bosoni

gluoni fotoni bosoni W bosoni Z bosoni Higgs gravitoni


10/21

QuarciQuarci

QQuarcii sunt componenii nucleoniloruarcii sunt componenii nucleonilor care formeaz esena materieicare formeaz esena materieiobinuite, i mai general a particulelor numite hadroni. Exist ase tipuri deobinuite, i mai general a particulelor numite hadroni. Exist ase tipuri deqquarci, ale caror nume curioase (i oarecum arbitrare) in de istoria descopeririiuarci, ale caror nume curioase (i oarecum arbitrare) in de istoria descopeririiacestor constitueni fundamentali. Fiecare tip apare in trei culori: rosuacestor constitueni fundamentali. Fiecare tip apare in trei culori: rosu,, verdeverdesi albastru. Trebuie subliniat faptul ca acesti termeni sunt doar denumiri;si albastru. Trebuie subliniat faptul ca acesti termeni sunt doar denumiri;quarcii sunt mult mai mici decat lungimea de unda a luminii vizibile si deci nuquarcii sunt mult mai mici decat lungimea de unda a luminii vizibile si deci nu

aauu o culoare in sensul propriu al cuvantului.o culoare in sensul propriu al cuvantului. QQuarcii u i d au proprietiuarcii u i d au proprietisimilare i sunt legai printrsimilare i sunt legai printr--o simetrie.o simetrie. QQuarcul s i trage numele de lauarcul s i trage numele de laparticularitile observate pentru prima dat n anii 50 la hadronii careparticularitile observate pentru prima dat n anii 50 la hadronii care ililconin.conin. QQuarcul c, descoperit n 1975, a fost introdus mai nti teoretic pentruuarcul c, descoperit n 1975, a fost introdus mai nti teoretic pentruexplicarea faptului c unele fenomene (n special dezintegrri) nu se observauexplicarea faptului c unele fenomene (n special dezintegrri) nu se observauexperimental.experimental. QQuarcii t i b (descoperii n 1977 i 1995) iuarcii t i b (descoperii n 1977 i 1995) i--au primit numeleau primit numele

prin analogie cu quarcii u si d.prin analogie cu quarcii u si d.QQuarcii interacioneaz slab, tare i electromagnetic; au sarcin electricuarcii interacioneaz slab, tare i electromagnetic; au sarcin electric

fracionar (1/3 qe,fracionar (1/3 qe, --2/3 qe) (unde qe este sarcina electric a electronului, care2/3 qe) (unde qe este sarcina electric a electronului, careare valoarea 1,6 10are valoarea 1,6 10--19 C) i nu exist n stare liber, cci sunt confinai n19 C) i nu exist n stare liber, cci sunt confinai nparticulele pe care le constituie. Protonul i neutronul sunt stri de treiparticulele pe care le constituie. Protonul i neutronul sunt stri de trei QQuarciuarci(protonul uud iar neutronul udd). Celelalte familii sunt copii ale acesteia, i(protonul uud iar neutronul udd). Celelalte familii sunt copii ale acesteia, i


11/21

sunt formai dinsunt formai din qquarci instabili care se dezintegreaz nuarci instabili care se dezintegreaz n qquarci mai uori iuarci mai uori in leptoni cu timp de viata scurt.Maselen leptoni cu timp de viata scurt.Masele qquarcilor au valori foarte diferite.uarcilor au valori foarte diferite.QQuarcul cel mai greu, t, are masa de 180 de ori mai mare dect protonul,uarcul cel mai greu, t, are masa de 180 de ori mai mare dect protonul,fiind format din treifiind format din trei qquarci uori.uarci uori.

DeiDei qquarcii nu pot fi observai direct n experimente, cu ajutorul loruarcii nu pot fi observai direct n experimente, cu ajutorul lorse pot construi sute de particule, pe care le numim hadroni. Oricese pot construi sute de particule, pe care le numim hadroni. Oricehadron este fie un ansamblu de trei cuarci, fie format dintrhadron este fie un ansamblu de trei cuarci, fie format dintr--unun qquarc i unuarc i unantiantiqquarc. Hadronii din prima categorie se numesc barioni (particule grele),uarc. Hadronii din prima categorie se numesc barioni (particule grele),i cuprind protonul i neutronul. Hadronii din a doua categorie se numesci cuprind protonul i neutronul. Hadronii din a doua categorie se numescmezoni (particule de mas intermediar).mezoni (particule de mas intermediar).

De curnd (n 2001) au fost semnalate n experimentele de fizicaDe curnd (n 2001) au fost semnalate n experimentele de fizica

energiilor nalte i particule formate din cinci quarci (pentaenergiilor nalte i particule formate din cinci quarci (penta--qquarci). Deiuarci). Deisituaia experimental nu este foarte clar, teoria permite existena acestui tipsituaia experimental nu este foarte clar, teoria permite existena acestui tipde particule i domeniul va fi fr ndoial unul extrem de activ n viitorulde particule i domeniul va fi fr ndoial unul extrem de activ n viitorulapropiatapropiat..


12/21

LeptoniLeptoni

Leptonii sunt particule de materie care interacioneaz slab, dar nu i tare.Electronul (e) i neutrinul electronic (e) fac parte din prima familie. Celelalteconin miuonul (), descoperit n 1937 n razele cosmice i respectiv tauonul (),produs n experimente la acceleratori n 1976, precum i neutrinii asociai.Electronii, miuonii i tauonii au sarcin electric qe i proprieti asemntoare,n ciuda maselor foarte diferite i a sarcinilor specifice distincte. Ca i quarciidin cea de-a doua i a treia familii, i sunt instabile i se dezintegreaz nparticule mai uoare.Neutrinii sunt neutri din punct de vedere electric, iinteracioneaz foarte slab cu materia: un neutrin poate traversa toat Galaxiafr a suferi nici o interacie. Dificil de detectat, acetia sunt produi abundent ncombustia stelelor.Neutrinii, a cror existen a fost postulat n anii 30 pentru explicarea

dezintegrrii beta, au fost descoperii a fi n numr de trei: neutrinul electronic(e) n 1956, neutrinul miuonic () n 1964 i neutrinul tauonic () n 2000. S-acrezut mult vreme c au masa riguros nul, dar rezultatele experimentale dinultimii ani indic c acetia oscileaz trecnd de la o sarcin specific la alta.Aceasta nseamn c trebuie s aib mase uor diferite, ceea ce excludeipoteza de neutrin fr mas.


13/21


14/21

Cele patru tipuriCele patru tipuri de forte prin care interactioneazade forte prin care interactioneaza

particulele elementareparticulele elementare

1. Forta gravitationala (se exercita intre particule cu masa de repaus nenula)

Aceast for este universal, adic orice particul simte fora de gravitaie,corespunztor cu masa sau energia sa. Gravitaia este de departe cea mai slabdintre cele patru fore; ea este att de slab nct nu am observa-o deloc dac nu ar

avea dou proprieti speciale: acioneaz pe distane mari i este ntotdeauna ofor de atracie. Asta nseamn c forele gravitaionale foarte slabe dintreparticulele componente ale altor corpuri mari, cum sunt pmntul i soarele, se potaduna producnd o for semnificativ.

n modul mecanicii cuantice de a privi cmpul gravitaional, fora dintre douparticule de materie este reprezentat ca fiind purtat de o particul cu spin 2,numit graviton. Fora gravitaional dintre soare i pmnt este atribuitschimbului de gravitoni ntre particulele care formeaz acest dou corpuri. Deiparticulele schimbate sunt virtuale, ele produc n mod sigur un efect msurabil:facpmntul s se deplaseze pe orbit n jurul soarelui! Gravitonii reali formeaz ceeace fizicienii clasici ar numi unde gravitaionale, care sunt foarte slabe i att de

greu de detectat nct nu au fost observate niciodat.


15/21

2. Forta electromagnetica

A treia forta, cea electromagnetic, acioneaz intre particule ncrcate electric,cum sunt electronii i quarcii, dar nu interacioneaz cu particule nencrcate, cumsunt gravitonii. Ea este mult mai puternic dect fora gravitaional: foraelectromagnetic dintre doi electroni este de circa 10 la puterea patruzeci i doi de ori

mai mare dect fora gravitaional. Totui, exist dou feluri de sarcini electrice,pozitive i negative. Fora dintre dou sarcini pozitive este o for de respingere, la felca fora dintre dou sarcini negative, dar ntre o sarcin pozitiv i una negativ existo for de atracie. Un corp mare, cum este pmntul sau soarele, conine sarcinipozitive i negative n numere aproape egale. La scara mic a atomilor imoleculelor,insa, forele electromagnetice sunt dominante. Atracia electromagneticdintre electronii ncrcai negativ i protonii ncrcai pozitiv din nucleu determinmicarea pe orbit a electronilor n jurul nucleului atomului, la fel cum atraciagravitaional determin micarea pmntului pe orbit n jurul soarelui.


16/21

3. Interactia nucleara slaba

Aceasta forta este este responsabil pentru radioactivitate i acioneaz asupra

tuturor particulelor de materie cu spin 1/2, dar nu acioneaz asupra particulelor cuspin 0, 1 sau 2, cum sunt fotonii i gravitonii. Interacia nuclear slab nu a fost bineneleas pn n 1967, cnd Abdus Salam de la Imperial College, Londra, i SteveWeinberg de la Harvard au propus teorii care unificau aceast interacie cu foraelectromagnetic, la fel cumMaxwell a unificat electricitatea i magnetismul cu o sutde ani mai nainte. Ei sugerau c n afar de foton mai exist alte trei particule cu spin1, numite colectiv bozoni, vectori masivi care purtau interacia slab. Acetia au fostnumii W+ (pronunat W plus), W- (pronunat W minus) i Z (pronunat Z zero) ifiecare are o mas de circa 100 GeV. Teoria Weinberg-Salam prezint o proprietatenumit distrugerea spontan a simetriei. Aceasta nseamn ce ceea ce par a fi maimulte particule complet diferite la energii joase sunt de fapt acelai tip de particule,dar n stri diferite. La energii nalte, toate aceste particule se comport asemntor.Efectul este asemntor comportrii unei bile pe roata unei rulete. La energii nalte(cnd roata se nvrte repede) bila se comport ntr-un singur fel: se rotete de jurmprejur. Dar cnd roata i ncetinete micarea, energia bilei scade i n cele dinurm bila cade ntr-una din cele 37 desprituri a1e roii. Cu alte cuvinte, la energiijoase exist treizeci i apte de stri diferite n care se poate gsi bila. Dac, pentru unmotiv oarecare, noi am putea observa bila numai la energii joase, am crede c existtreizeci i apte de tipuri diferite de bile.


17/21

n teoria Weinberg-Salam, la energii mult mai mari de 100 GeV, cele trei particulenoi i fotonul s-ar comporta n mod asemntor.Dar la energii mai joase ale particulelor care apar n majoritatea situaiilor normale,aceast simetrie ntre particule va fi distrus. W+, W- i Z ar cpta mase mari,fcnd ca forele pe care le poart s aib un domeniu foarte scurt. n momentul n

care Salam i Weinberg i-au propus teoria, puine persoane i credeau, iaracceleratoarele de particulele nu erau suficient de puternice pentru a atingeenergiile de 100 GeV necesare pentru producerea particulelor reale W+, W- sau Z.Totui, n urmtorii aproximativ zece ani celelalte preziceri ale teoriei la energiijoase concordau destul de bine cu experimentul astfel c, n 1979, Salam iWeinberg primeau premiul Nobel pentru fizic, mpreun cu Sheldon Glashow, totde la Harvard, care sugerase teorii unificate similare ale interaciilor nucleare slabei forelor electromagnetice.


18/21

4. Interactia nucleara tare

Cea de-a patra categorie o reprezint interacia nuclear tare, care ine quarciimpreun n proton i neutron i ine protonii i neutronii mpreun n nucleulatomului. Se crede c aceast interacie este purtat de alt particul cu spin 1,numit gluon, care interacioneaz numai cu ea nsi i cu quarcii. Interacianuclear tare are o proprietate numit restricie: ea leag ntotdeauna particulelentr-o combinaie care nu are culoare. Nu poate exista un singur quarcindependent deoarece el ar trebui s aib o culoare (rou, verde sau albastru). nschimb, un quarc rou trebuie s se uneasc cu un quarc verde i unul albastruprintr-un "ir" de gluoni (rou i verde + albastru = alb). O triplet de acest felconstituie un proton sau un neutron. O alt posibilitate este o pereche formatdintr-un quarc i un antiquarc (rou + antirou , sau verde + antiverde, saualbastru + antialbastru = alb). Astfel de combinaii formeaz particulele numitemezoni, care sunt instabile deoarece un quarc i un antiquarc se pot anihilareciproc, producnd electroni i alte particule. Asemntor, restricia mpiedicexistena independent a unui singur gluon deoarece gluonii sunt colorai. nschimb, trebuie s existe o colecie de gluoni ale cror culori s se aduneformnd alb. O colecie de acest fel formeaz o particul numit glueball.


19/21

AntimateriaAntimateria

Antimaterie este termenul folosit pentru definirea opusului materiei format dinprotoni, neutroni si electroni. Antimateria este format din antiparticule. Dac atomiidin care se compun obiectele ce ne inconjoara sunt alctuii din protoni, neutroni sielectroni, aa-ziii anti-atomi vor fi formai din antiprotoni, antielectroni (pozitroni) siantineutroni. Antiparticula difer de particul prin faptul c are o sarcina opusparticulei, dar are masa egal cu aceasta. Dac o particul intr n coliziune cuantiparticula sa, cele doua se anihileaza, emind raze gamma, fotoni de naltenergie. Teoriile si experimentele de pana acum sustin ideea ca exista o simetrie totalaintre materie si antimaterie fiecarei particule de materie ii corespunde una deantimaterie. Cu toate acestea, acest lucru nu poate fi asa. O anumita asimetrie artrebui sa existe pentru ca, altfel, atunci cand toate aceste particule au aparut, ele s-ar fianihilat intre ele si ar fi lasat in urma lor numai lumina.

Daca simetria materie-antimaterie ar fi fost intr-adevar totala, nimic nu ar fi pututsa se formeze in Univers. Exista diferite incercari de a introduce o asemeneaasimetrie in modelele teoretice, insa, pana acum, predictiile acestor modele nu aureusit sa se potriveasca cu observatiile.


20/21

BosoniBosoni

1. Gluonii - sunt mediatori ai interactiei tarisunt mediatori ai interactiei tari- nu au masa- nu au fost niciodata observati in detectoare de particule

- prima dovada a existentei lor a aparut la anihilareaelectronilor si a positronilor cand se elibera un quark,un antiquark si un gluon

2. Bosonii W si Z - sunt mediatori ai interactiei slabe- nu au masa

3. Bosoni Higgs - particule ipotetice masive- explica diferenta dintre interactia slaba sielectromagnetism, mai exact, diferenta dintre fotoni si

bosonii W si Z


21/21

particule elementare10

Documents

Transcript of particule elementare10