Universul Ansamblu de Particule Fundamentale

37
1 din 37 CONCURSUL NAȚIONAL DE FIZICĂ APLICATĂ PENTRU ELEVI „UNIVERSUL EINSTEIN” ediția a XI-a 10-12 iulie 2015 Categoria: III: Licee, grupuri școlare și colegii naționale Secțiunea: A. Fizică experimentală (comunicări): e) Fizică atomică și nucleară Universul ansamblu de particule fundamentale Profesor îndrumător: MATEI IOAN Specialitatea Fizică, grad didactic I Autori (elevi): CUCUIET TEODOR AURELIAN CUCUIET TEODORA IONELA GÎRLĂ BRIAN CONSTANTIN Clasa a XI-a A Liceul Teoretic „O. C. Tăslăuanu” Toplița 2015

description

Science

Transcript of Universul Ansamblu de Particule Fundamentale

1 din 37 CONCURSUL NAIONAL DE FIZIC APLICAT PENTRU ELEVI UNIVERSUL EINSTEIN ediia a XI-a 10-12 iulie 2015 Categoria: III: Licee, grupuri colare i colegii naionale Seciunea: A. Fizic experimental (comunicri): e) Fizic atomic i nuclear Universul ansamblu de particule fundamentale Profesor ndrumtor:MATEI IOAN Specialitatea Fizic, grad didactic I Autori (elevi): CUCUIET TEODOR AURELIAN CUCUIET TEODORA IONELA GRL BRIAN CONSTANTIN Clasa a XI-a A Liceul Teoretic O. C. Tsluanu Toplia 2015 2 din 37 Cuprins Introducere .................................................................................... 3 I.Evoluia fizicii atomo-nucleare de-a lungul timpului ... 4 II. Particule fundamentale ................................................. 15 1.Particulele fundamentale de-a lungul timpului ................... 15 2.Modelul Standard ................................................................ 16 3.Bosonii ................................................................................. 17 4.Fermionii .............................................................................. 17 1.Quarcuri ....................................................................................... 18 2.Leptoni ......................................................................................... 19 3.Dezintegrarea leptonilor .............................................................. 20 4.Generaiile materiei ...................................................................... 21 5.Cele 4 fore fundamentale ................................................... 22 1.Cum interacioneaza particulele ntre ele .................................... 22 2.Fora electromagnetic ................................................................. 23 3.Fora tare ...................................................................................... 24 4.Fora slab .................................................................................... 27 5.Fora gravitaional ...................................................................... 28 6.Antimateria .......................................................................... 29 III. Radioactivitate i dezintegrri .................................... 29 1.Radioactivitatea ................................................................... 30 2.Dezintegrrile particulelor fundamentale ............................ 32 1.Tipuri de dezintegrri ................................................................... 33 2.Exemple de dezintegrri .............................................................. 34 Bibliografie ................................................................................... 37 3 din 37 Introducere nultimulsecol,tehnologiaaevoluatcuovitezuluitoare.Tehnologiicealtdat erau considerate ficiune fac acum parte din viaa noastra de zi cu zi. Datorit unora din aceste noitehnologii,fizicaaevoluatexponenial.Astfelaufostdescoperiteomarepartedin crmiziledincareesteformatuniversulnostru,precumilegiledupcareacestea interacioneazntreele.Prinprezentalucrarenepropunemsfamiliarizmeleviiramura fizicii care se ocup cu studiul celor mai mici particule i interaciunile dintre acestea. Oamenii s-au ntrebat mereu din ce este fcut lumea i ce o face stabil. Pentru a afla rspunsul,cercettoriiauorganizatlumeadinjurullorfolosindu-sedediversetipare.n antichitate,secredeacoricelucruexistesteformatdinpatruelemente,prezentenacel lucru n proporii diferite: ap, aer, pmnt i foc. Cu timpul, acest concept a fost nlocuit cu altul,conformcruialumeaeformatdinmicibilenumiteatomi,carestaulabazaoricrui lucruicaresuntcelemaimicistructuricarepotexista,fiindastfelconsideraiparticule fundamentale.Pascupas,s-adescoperitcatomuleformatdinnucleuinvelielectronic, apoicnucleuleformatlarndulsudinprotoniineutronii,nceledinurm,caceste particule sunt formate din alte particule i mai mici (quarcurile), la ora actual aceste particule fiind considerate fundamentale. Aa a luat natere Modelul Standard, o teorie care ncearc s explice comportamentul celor mai mici particule i modul n care ele interacioneaz pentru a forma lumea pe care o cunoatem astzi. Prinaceastlucrarenepropunemsaducemlaluminmodulncarefuncioneaz lumeanoastr,dupctecunoatemnprezent.Lucrareaarecascopprincipalstimularea interesuluielevilorasuprafiziciiatomo-nucleare,respectivcunoatereainsuireaunor informaiilegatedeaceastpartecaptivantafizicii,cencearcsdeterminecum funcioneazuniversul.Dindorinadeaprezentactmaibinevasteleinformaiidinacest domeniu,ammpritlucrareantreipri:Evoluiafiziciiatomo-nuclearede-alungul timpului,ncareamprezentatteoriileiconcepteledespreparticulenordinecronologic; Particulefundamentale,ncareamprezentatparticulelecesuntconsideratenacest momentfundamentaleifelulcumacesteainteracioneazntreele;inunultimulrnd, Radioactivitate i dezintegrri, n care am prezentat cum are loc procesul de dezintegrare al particulelor fundamentale. 4 din 37 I. Evoluia fizicii atomo-nucleare de-a lungul timpului Cele 4 elemente n antichitate, se credea c tot ceea ce existeformatdinpatruelemente, amestecate n diferite proporii. Aceste patru elementeerau:apa,pmntul,aerulifocul. Fiecare element avea de asemenea atribuit o staredeagregareioformgeometric regulat. Astfel, pmntului i revenea starea solidicubul(hexaedrul);apeii corespundeastarealichidiicosaedrul; aerului i corespundea starea gazoas i octaedrul; iar focului i corespundea starea de plasm i tetraedrul. Primii atomii, particule indivizibile Prima dat termenul de atom a aprut n grecia antic, atunci cnd Democrit a definit materia, n mod intuitiv, ca fiind un ansamblu de particule indivizibile, invizibile i eterne, pe carele-anumitatomi(delagrecesculatomos,ceeacenupoatefidivizat).Ideeas-apierdut ns pn n perioada renaterii, cnd a fost readus n discuii. Atunci elementelor chimice le-aufostatribuiitipurideatomiiinvers,fiecruitipdeatomi-afostatribuitunelement chimic. De asemenea, John Dalton a postulat faptul c atomii diverselor elemente se combin pentru a forma substane complexe. Primele structuri atomice J. J. Thomson, n urma cercetrilor privind razele catodice, a descoperit c atomii sunt divizibili,fiindparialcompuidinparticulefoarteuoarencrcatenegativ(cuproprieti identiceindiferentdeelementulchimicdelacareproveneau),ceaufostnumiteelectroni. Fig. I.1. Cele 4 elemente 5 din 37 Fig. I.2. Modelul atomic al lui Thomson: sarcinile electrice negative plutesc n atomul ncrcat pozitiv Fig. I.3. Modelul atomic al lui Rutherford: electronii orbiteaz nucleul ncrcat pozitiv Descoperireafenomenelorderadioactivitatea constituitargumentulfinalpentrurenunarealaideea indivizibilitiiatomilor.Odatadmisacestlucru, fizicieniiaupornitlaelaborareamodelelorde structuraatomilor,propunndu-senumeroase variante. Primulmodelatomicafostcelallui Thomson.Modelulsupresupuneaatomulcaosfer cusarcinilepozitiveuniformdistribuite,ncare pluteau electronii ncrcai negativ. Electronii execut oscilaiinjurulunorpoziiideechilibru,frecveneleacestoroscilaiicorespunznd frecvenelorliniilorspectrale.nacestmodel,neutralitateasistemuluieraasigurat.Modelul Thomsonn-apututnsexplicamotivulpentrucaresarcinilepozitive,uniformdistribuiten atom, nu se resping, iar distribuirea spaial a sarcinilor negative i pozitive din model a fost invalidat de experimentul lui Rutherford. n1909,subcoordonarealui ErnestRutherford,afostrealizatun experimentpentruverificarea modeluluiatomuluiluiThomson. Experimentulestecunoscutca experimentulfoieideaursau experimentulGeiger-Marsden. Acestexperimentademonstratc modelulluiThomsonnuestecorect, iarpebazaobservaiilorefectuatede Rutherford, acesta va propune, n 1911 un nou model.n cadrul modelului planetar al atomilor, propus de Rutherford,atomii sunt constituii dintr-unnucleuncrcatcusarcinelectricpozitiv,njurulcruiagraviteazelectroniicu sarcinelectricnegativ,dupmodelulsistemuluiplanetaralSoarelui.Aadar,nmodelul atomului lui Rutherford, sarcinile negative i pozitive sunt separate spaial. Dar nici modelul 6 din 37 planetarnuexplicmotivulpentrucaresarcinilepozitivedinnucleunuseresping, desprinzndu-se din nucleu. Mai mult, n electrodinamic se arat c orice sarcin electric ce se mic accelerat trebuie s emit radiaie electromagnetic, micorndu-se astfel energia de micareasarcinii.nurmaemisieiacesteiradiaii,energiaelectronuluisevamicora,raza traiectorieisevamicoraiearapid,urmndcaelectronulsseprbueascpenucleu. Astfel,modelulluiRutherfordesteconsideratnesatisfctordatoritinstabilitiisistemului nucleu-electroni i incapacitii de-a explica liniile spectrului de emisie. Izotopii i antielectronii TotRutherford,mpreuncuFrederickSoddyaufostceicareauconstatatexistena izotopilor elementelor radioactive. Izotopii sunt atomi cu acelai numr protoni dar cu numr diferit de neutroni n nucleul atomic. Izotopii unui element au proprieti chimice identice, dar proprieti fizice diferite. Mai trziu, s-a demonstra c i o serie de elemente ne-radioactive au izotopi. n1911CharlesThomsonReesWilsonacreatcameracuceapentrudetectarea radiaiilor. Ea a permis civa ani mai trziu vizualizarea traiectoriei particulelor ionizate sub formauneidrefinedeceade-alungultraiectorieiparticulei.Studiindu-setraiectoriile electronilorncameraWilsonplasatncmpmagneticafostdescoperitpozitronul,prima particul de antimaterie descoperit. Postulatele lui Bohr FizicianulNielsBohri-apropussobinomodificareamodeluluiplanetar,astfel nctssepoatasigurastabilitateaatomuluiitotodatspermitexplicarealiniilor spectrului de emisie. n acest scop, el se folosete de cuantele de energie, precum i observaia conformcreiaemisialuminiinuesteunprocescontinuu.Astfel,n1913,Bohrintroduce dou postulate: nprimulpostulat,elafirmcpotexistanumaiaceleorbiteelectronicepentrucare momentulcineticorbitalalelectronului,nmicareasanjurulnucleului,esteunmultiplu ntregdeconstantaredusaluiPlanck.Orbiteleelectronilorcaresatisfacacestpostulatse numesc orbite staionare, iar electronii care se deplaseaz pe astfel de orbite nu radiaz unde electromagnetice.Prinenunareaprimuluisuprincipiu,Bohrcontraziceelectrodinamica 7 din 37 Fig. I.4. Spectrele atomice ale elementelor clasic emind ipoteza c acei electroni care se afl pe orbite staionare nu pierd energie prin radiaie, ns el nu explic de ce are loc acest fenomen. Energiile atomilor de hidrogen aflai n strile staionare sunt caracterizate de numrul cuanticprincipaln.Valoareaminimaenergieicorespundenumruluicuanticprincipal n=1;aceastaestestareastabilaatomuluidehidrogen,fiindnumitstarenormalsaustare fundamental. Dac atomul primete energie, poate trece n stri energetice de numr cuantic principal mai mare, numite stri excitate. Strile excitate ale atomului nu sunt stabile, dup un timp atomul trecnd dintr-o stare excitat n starea fundamental. naldoileapostulat,Bohrafirmcnprocesuldetrecereaatomuluidintr-ostare staionar de energie, ntr-o alt stare staionar de energie, se emite sau se absoarbe un foton deenergie.Aadar,Bohraadmiscradiaiaelectromagneticesteformatdinparticule numite fotoni. Conform celui de-al doilea postulat, emisia sau absorbia radiaiei corespunde uneitranziiintredoustristaionare.TeorialuiNielsBohradeschiscaleapentru interpretarea spectrelor atomice i moleculare.Experimentul Franck-Hertz a confirmat modelul lui Bohr pentru atom, demonstrnd c atomii pot s absoarb sau s cedeze energie doar n anumite cuante.Teoria lui Bohr ns nu se poate aplica atomilor cu mai muli electroni. Conceptul lui Bohr privind existena unor stri staionare fundamentale ale electronilor a supravieuit progreselor ulterioare ale fizicii. 8 din 37 ArnoldSommerfeldaextinsteorialuiBohrdelamicareacircularaelectronilorla cazulmicriipeorbiteelipticeialuatnconsiderareteoriarelativitiirestrnse.Noua teorieecunoscutsubnumeledeteoriaBohr-Sommerfeldiafostconfirmatde experimentele Stern-Gerlach, care studiau cuantificarea spaial. Aceleai experimente au pus n eviden existena momentului magnetic propriu de spin. n1925,R.A.Millikanconfirmexistenaunorradiaiicarepenetreazatmosfera terestr, venind din spaiul cosmic i pe care le denumete radiaii cosmice.Folosirea unor spectroscoape de mare putere auartat c adeseori liniile spectrale ale atomilorsecompundinmaimulteliniifoarteapropiate,formndaa-numitastructurde multiplet a liniilor spectrale. n 1925, Samuel Avram Goudsmit i George Eugene Uhlenbeck auformulatipotezacaceaststructurademultipletsedatoreazfaptuluicelectronii,n afardemicareapeorbitnjurulnucleului,maiauncomicare,creiaicorespund subniveledeenergiencaresedespicniveleledeenergiealemicriiorbitale.Aunumit aceastnoumicare,pecareeioconsiderauderotaieaelectronuluinjurulaxeisale, micare de spin.Ipotezacspinulesterotaiaelectronuluinjurulproprieisaleaxes-adoveditafi greit.Spinulesteunfenomenexclusivcuantic,franalogclasic.Astziedeajunss afirmm c micarea de spin este caracterizat printr-un moment cinetic. Totn1925,WolfgangPauliaenunatprincipiuldeexcluziune,conformcruiadoi electroni nu se pot afla niciodat n aceeai stare cuantic ntr-un atom. Conform principiului deexcluziune,peopturelectronicnumruldeelectroniestelimitatisecalculeazca fiinddublulnumruluicuanticprincipallaptrat(2n).Peaceastbazsepoateexplica succesiuneaelementelornsistemulperiodicalelementelor.ntr-oaltformularea principiuluiluiPauli, se poatespunecntr-unatomnupotexistadoielectronicaracterizai prinacelaipatrunumerecuantice(numrulcuanticprincipal,numrulcuanticorbital, numrul cuantic magnetic i numrul cuantic de spin).Experienaadoveditcelectroniiultimeipturideterminproprietilechimicei spectroscopice ale elementelor. Aceti electroni se numesc electroni de valen.Dacunelefenomeneluminoasepotfidescriseattondulatoriu,cticorpuscular, altelepotfidescrisedoarondulatoriusaudoarpebazecorpusculare.Astfels-aajunsla 9 din 37 Fig. I.5. Orbitalii atomici locul n spaiu n care probabilitatea de a ntlni un electron este maxim, pentru toate nivelele i subnivelele de energie concluziacluminatrebuieconineambelecaliti,deundiparticul,luminaformndo unitate indestructibil und-particul, numit foton.n1924,LouisdeBroglieaemisipotezacmicareaoricreiparticuleeste caracterizatdeoundasociat,ipotezconfirmatulteriordediverseexperienele.Pebaza experienelor, s-a tras concluzia c orice microparticul are att proprieti corpusculare, ct i deund.Undaasociatnuesteoundfizicpropriu-zisdeoarecenutransportenergie,ci este o cale de explicare a modului de comportare a microparticulelor. Statistica Bose-Einstein ntreanii1924-1925,SatyendraNathBoseiAlbertEinsteinaudezvoltatstatistica Bose-Einstein. Particulele care ascult de aceast statistica au fost numii bosoni, doar acestor particuleaplicndu-sestatisticaBose-Einstein.Bosoniisuntcaracterizaiprinfaptulcau numrntregdespin,nurespectprincipiuldeexcluziunealluiPaulii ascultdestatistica Bose-Einstein. Bosonii sunt particule purttoare (sau mediatoare) de fore i constituie forma de materie cmp, prin intermediul creia se exercit interaciunile ntre particule. 10 din 37 Mecanica matriceal i relaiile de incertitudine ale lui Heisenberg n 1925, fizicianul german Werner Karl Heisenberg, mpreun cu Max Born i Pascual Jordanaupusbazelemecaniciimatriciale.Aceastdatreprezintsfritulepociimecanicii cuanticevechiiapariianoiiteorii,mecanicacuanticmodern.Mecanicamatricialafost primaformularecuprinztoare,logiciautonomdinpunctdevedereconceptual,a mecanicii cuantice. nmecanicaclasic,oricevariabildinamicseexprimnfinalnfunciede coordonatele generalizate q i impulsurile p. Problema care se punea era cum se poate trece de laobservabilelelavariabileledinamice.Heisenbergaasociatfiecreitranziiiomulimede valori,aleamplitudiniloroscilaiilorelectronilorcaresepoatearanjantr-omatriceptrat. Aceast asociere a fcut-o pe baza conexiunilor dintre informaiile cuprinse n dou tabele de msurtoriefectuate:tabelafrecvenelordetranziiecndelectroniiischimborbitelei tabelaechivalentdetranziieaamplitudinilor.Elapostulatoasociereconformcruia oricreimrimifizicedinmecanicacuanticisepoateasociaunoperatorliniarA.Pentrua elaborateoriasa,Heisenbergaveanevoiedematrice,deoareceprodusuladoumatriceeste necomutativ. Introducndmatriceadiagonalastrilordeenergie,Heisenbergadedusorelaie matriceal, n care apar matricele A i H, denumit ecuaia lui Heisenberg. Matricea H descrie funcia lui Hamilton i se aplic tuturor variabilelor dinamice. n ecuaia lui Heisenberg apare expresiamatricealHA-AH,dintreceledoumatrici,AiH,denumitcomutator.Relaia de comutare dintre anumite variabile, stabilit de Heisenberg, are un rol esenial n mecanica cuantic. Relaia lui Heisenberg ne indic cteva lucruri foarte importante: dou observabile, n mecanicacuantic,nupotfiniciodatmsurateprecisnacelaitimp;nuesteindiferent ordineademsurareaobservabilelor-msurareaprimeiobservabilevainfluenamsurarea celei de-a doua. Relaiile de incertitudine descoperite de Heinsenberg stabilesc limitele dincolo de care conceptelefiziciiclasicenumaipotfiutilizate.Acesteanearatcndomeniul microparticulelorexist anumite limitri n msurarea parametrilorcaracteristici particulelor. Dacputemsdeterminmexactlaunmomentdatcoordonateleuneiparticule,nuputem 11 din 37 spunenimicdespreimpulsulei,iviceversa.Cuctprecizmmaibinepoziiaunei microparticule,cuattcunoatereaimpulsuluivafimaiimprecisireciproc.Relaiilede incertitudine ale lui Heisenberg reflect o lege general a naturii, avnd un caracter universal.Oconsecinarelaiilordeincertitudineestecunexperimentpoatedemonstra proprietile de particul ale materiei, sau proprietile sale de und, dar nu ambele n acelai timp. Mecanica ondulatorie i ecuaia lui Schrdinger n1926,ErwinSchrdingerfacecunoscutteoriapecareelaelaborat-olucrnd aproapenparalelcuHeisenberg,mecanicaondulatorie.Mecanicamatricealalui HeisenbergimecanicaondulatoriealuiSchrdingersuntteoriiechivalente,fiinddou formulri diferite a ceea ce numim astzi mecanica cuantic. Teoria lui Schrdinger introduce oecuaiedeund,cunoscutsubnumeledeecuaialuiSchrdinger,caredescrieundele asociateparticulei.StareaparticuleidinecuaialuiSchrdingerdependentdetimpeste descris de funcia de und. Funcia de und Schrdinger descrie distribuia de probabilitate n spaiu i timp a particulei. Termenuldetraiectorieaelectronuluiipierdeastfeloricesemnificaieiasupra micriielectronilornjurulnucleuluinusepotfacedectaprecieristatistice.Nuputem cunoateexactmicareauneimicroparticule,darputemnschimbcalculaexactcareeste probabilitateadeaogsinspaiu,rezolvndecuaialuiScrdinger.Deoarecemicarea electronuluinumaipoatefireprezentatprintr-otraiectorie,formagraficaprobabilitii pentru o stare dat a fost numit orbital electronic.Principiul de excluziune al lui Pauli FizicianulEnricoFermiastabilitntreanii1925-1926,independentdePaulDirac, statistica particulelor care se supun principiului de excluziune al lui Pauli. Aceast teorie este cunoscutsubnumeledestatisticaFermi-Diraciseaplicparticulelordespinsemintreg, numitefermioni.ntr-ostarecuanticdatnupotexistadoifermioni.Fermioniisunt considerai a fi constitueni ai materiei, care ascult de principiul de excluziune al lui Pauli i nu respect statistica Bose-Einstein. 12 din 37 Noile particule Prin aplicarea ideilor lui Einstein, Dirac a elaborat n 1928 teoria relativist a micrii electronului.Diracapropusoecuaiedemareelegan,care-ipoartnumele.Lucrndla gsireauneisoluiipentruecuaiasa,elaprezisexistenauneiparticuleasemntoarecu electronul, avnd aceleai proprieti, dar cu sarcin opus, pozitiv. Aceasta este antiparticula electronuluipecaremaitrziu,n1932,ovadescoperiC.D.Andersonncomponena radiaiilorcosmiceiovadenumipozitron.Existenapozitronuluiafostconfirmatide cameracuceapentrudetectarearadiaiilor.Descoperireapozitronuluiapusbazele posibilitii trecerii unor microparticule n altele i a generalizrii existenei antiparticulelor la celelalte particule. Totn1932,JamesChadwickadescoperitoparticulnnucleulatomului,lipsitde sarcinelectric,careafostdenumitneutron.Dupaceastdescoperire,Heisenbergi Dmitri Dmitrievici Ivanenko propun, individual unul de altul, un nou model de atom: modelul protono-neutronic,constnddinZprotoniidinNneutroni.Pebazaobservaiilor experimentale,s-aconstatatcprotonulineutronulsuntparticulesimilare,nucleoni,cu sarcinelectricdiferit:protonularesarcinapozitiv,iarneutronulsarcinanul.S-a constatat,deasemenea,cneutronulninteriorulunuinucleuestelafeldestabilcai protonul, dar cnd este singur n spaiu, el se dezintegreaz.n 1935, Hideki Yukawa propune prima teorie cu privire la interaciile tari sau forele tari care menin protonii i neutronii strns legai n nucleu. Yukawa a pornit de la o analogie cuinteraciaelectromagnetic,emindipotezaexisteneiuneiparticulecare,asemeni fotonuluidininteraciaelectromagnetic,sintermediezeforeleputernicecareleag nucleonii. Particula din ipoteza lui Yukawa s-a dovedit a fi mezonul pi. ntr-adevr, acum se tiecpioniijoacunrolesenialnfenomenelecareimplicinteraciiletari.Cuteoria propusdeYukawa,modelulatomuluimoderns-aconsideratcomplet.n1936,C.D. Andersondescopernrazelecosmicemiuonul(muonul).Miuoniisuntcreaipermanentn straturile superioare ale atmosferei, n urma ciocnirilor moleculelor de aer cu razele cosmice. Aceste particule elementare sunt asemntoare electronului, dar mai grele i instabile. Miuonii facpartedinclasafermionilor,subclasaparticuleloruoare,leptoni.Existenamiuonuluia fost confirmat n experimentele cu camera cu cea. Descoperiri privind procesele din nucleul atomic 13 din 37 La38deanideladescoperirearadioactivitiinaturale,soiiIrneiFrdricJoliot-Curieaudescoperitradioactivitateaartificial.Radioactivitateaartificialesteunproces provocat n care prin reacii nucleare se obine un izotop instabil sau radioactiv. Prin astfel de reaciinucleares-auobinutnoielementeradioactivecarenusegsescnnatur.Dup descoperireaneutronuluis-astabiliteficacitateadeosebitaacestuiadeainduce radioactivitateaartificial.Neutronulprezintavantajulcnuaresarcin,decipoates ptrund cu uurin n nucleul int.n1939,chimitiiOttoHahn,FritzStrassmannifizicianulLiseMeitnerdescoper fisiunea nuclear. n1941,DonaldWilliamKerstconstruieteprimulacceleratorciclicutilizatpentrua imprimaenergiifoartemarielectronilor(betatron).SubcoordonarealuiEnricoFermise construiete i se pune n funciune n 1942 primul reactor nuclear. n1947,printr-oexperienbazatpetehnicamicroundelor,W.E.LambiR.C. Rutherford au pus n eviden ceea ce se numete deplasarea Lamb. Aceasta este o deplasare suplimentar a nivelelor energetice ale electronilor de atomi, fa de cele calculate prin teoria luiPaulDirac.ExperimentulluiLambiRutherfordaconstituitunpasdecisivpentru dezvoltarea electrodinamicii cuantice. Electrodinamica cuantic (QED) este o teorie cuantic relativist a electrodinamicii care descrie modul n care lumina i materia interacioneaz; este primateoriecarerealizeazunacorddeplinntremecanicacuanticiteoriarelativitii speciale. Neutrinii n1931,Pauliapropusexistenaparticuleielementareneutrino,pentruaexplica abatereaaparentdelalegiledeconservareaenergieiiamomentuluicineticntimpul dezintegrrii beta. n1956,fizicieniiClydeLorrainCowaniFrederickReinesdovedescexistena neutrinilor.Neutriniiiantiparticulelelor-antineutrinii,seemitsimultandectrenucleele radioactive, dar ei apar i n timpul dezintegrrii unor mezoni. n 1962, Leon Max Lederman, MelvinSchwartziJackSteinbergeraupublicatunmaterialncaredescriuobservaiilelor privind o nou particul, care se va dovedi a fi particula denumit neutrino miuonic. 14 din 37 Fig. I.6. Nucleul unui atom care conine 4 neutroni i 3 protoni, i quarcurile din care acestea sunt formate Quarcurile n1964,MurrayGell-Mann propunemodelulquarcurilor.Acest modeladmitecfotoniiileptoniisunt particulesimple,nschimbhadronii sunt particule formate din alte particule, maisimple,numitequarcuri.Existtrei generaiidequarcuri,alctuind dubletele:primageneraieupi down,adouageneraiecharmi strangeiatreiageneraietopi bottom. Primaconfirmareateoriei quarcuriloravenitn1968,nurma unuiexperimentdesfuratlaacceleratorulSLACalUniversitiiStanford,cndafost confirmat experimental existena quarcurilor up i down.Dup succesul nregistrat de electrodinamica cuantic, atenia fizicienilor s-a ndreptat spregsireauneiteoriideunificareainteracieielectrodinamicecuinteraciaslab. Unificareacelordouinteraciintr-osingurinteracie,ceaelectroslab,vafirealizatn 1967defizicieniiSheldonLeeGlashow,StevenWeinbergiMohammadAbdusSalam. TeorialoraconstituitprimulpasctreformulareaModeluluiStandard.Descoperirea experimental n 1973 a bosonului Z a confirmat teoria electroslab. Fizica atomo-nuclear astzi Muncadepusdenumeroicercettoripentrudescoperireaparticuleloradusla concretizareaModeluluiStandard.Acestaesteoteorieatuturorparticulelorsub-atomice cunoscute i a interaciunilor dintre ele. Ultimamaredescoperiredindomeniulfiziciiparticuleloraavutlocpe4iulie2012, cndOrganizaiaEuropeanpentruCercetareNuclear(CERN)aanunatdescoperireaunei 15 din 37 noi particule: bosonul Higgs. Aceast particul are o importan deosebit deoarece ea explic de ce au particulele mas. Unificareateorieirelativitiicuteoriacuanticntr-oteorieatotului,cares uneasctoatecele4forefundamentale,rmnencontinuareoprovocarepentrufizicieni, acestafiindunuldintrescopurilefinalealefiziciiitotodatteoriacarearurmasexplice cum funcioneaz universul. II. Particulele fundamentale Oamenii s-au ntrebat mereu din ce este fcut lumea i ce o face stabil. De ce att de multe lucruri din lume au aceleaicaracteristici? Pentru a afla rspunsul la aceast ntrebare, oameniiauncercatncdinvremurianticesorganizezelumeadinjurullornelemente fundamentale,pentruaexplicacumfuncioneazaceasta.Opatricul"fundamental"sau elementar este o particul simpl i fr structur, care nu e alctuit din ceva mai mic. 1. Particulele fundamentale de-a lungul timpului Atomul njurulanului1900,oameniiconsiderauatomiicafiindparticulefundamentale ncrcate cu sarcini electrice. Curnd, oamenii au realizat atomii pot fi clasificai n grupuri n funciedeproprietichimiceasemntoar.Acestlucrusugeracatomiieraularndullor alctuiidinalteelementemaisimpleicacesteelementemaisimplecombinatenfeluri diferite creau diferite specii de atomi cu diferite proprieti. Maitrziu,s-aartatcatomiiauostructur,nusuntdoarbilepermeabile.Oamenii de tiin au descoperit c un atom are un nucleu pozitiv mic, dar dens i un nor de electroni negativi. Aadar atomul nu este fundamental, ci este format din nucleu i electroni. Nucleul, protonii i neutronii 16 din 37 Pentrucestemic,solididens,oameniidetiinaucrezutiniialcnucleule fundamental.Maitrziuns,eiaudescoperitcacestaesteconstituitdinprotonicaresunt ncrcaipozitivineutroni,carenusuntncrcaielectric.Aadar,nicinucleulnueste fundamental, ci este format din protoni i neutroni.ntr-unfinal,fizicieniiaudescoperitcpniprotoniiineutroniisecompundin particule chiar mai mici, numite quarcuri. Din cte tim, quarcurile au raz zero i deci nu au dimensiune,caipunctelengeometrie.Einusuntalctuiidinaltceva.Aadar,quarcurile sunt,laoraactual,considerateafiparticulefundamentale,mpreuncuelectronulialte particule. Ce caut fizica particulelor? Fizicienii caut n mod constant particule noi. Cnd le gsesc, ei le clasific i ncearc sgseascregulicaresneindicecuminteracioneazcrmizilefundamentaleale Universului.Pnnprezents-audescoperitaproximativdousutedeparticule(dintrecare majoritateanusuntfundamentale).Pentrualereinenumelemaiuor,acesteaaufost botezate folosind litere ale alfabetelor grec i latin. 2. Modelul Standard FizicieniiaudezvoltatoteorienumitModelulStandard,careexplicnmareparte dinceesteconstituitlumeaicumfuncioneazaceasta.Esteoteoriecareexplictoate suteledeparticuleiinteraciunilelorcomplexecuajutoruladoar:6quarcuri,6leptonii particule mediatoare ale forelor i interaciilor. ncadrulacesteiteorii,particulelefundamentalesuntmpritendoumarigrupuri: bosoni i fermioni. 17 din 37 3. Bosonii Bosonii sunt particulele care mediaz nteraciile dintre particule. Datorit acestora, au loc cele 4 fore (interacii) fundamentale: gravitaia, fora electromagnetic, i forele nucleare tariislabe.Gravitaiaestemediatdegraviton(ncnedescoperit).Foraelectromagnetic estemediatdefoton.Foranucleartareestemediatdegluoni,iarceanuclearslab, mediat de bosonii Z, W+ i W-. Prin schimbul de astfel de particule, dou particulesimple sau compuse interacioneaz ntre ele. 4. Fermionii Fermioniisuntparticuleledincareesteconstituitmateria.Acesteparticuleauspin semintreg.nfunciedesarcinaelectric,fermioniiseclasificnquarcuri,cusarcin electric fracional, i leptoni, cu sarcin electric un numr ntreg. Fig. II.1 Modelul standard teoria ce promite s explice toate particulele fundamentale i interaciile dintre acestea 18 din 37 Fig. II.2. Cele 6 arome de quarcuri, prezentate ntr-un mod stilizat 4.1. Quarcuri Quarcurilesuntunuldintipuriledeparticulealemateriei.Ceamaimarepartea materieipecareovedemnjurulnostruesteformatdinprotoniineutroni,caresunt alctuii din quarcuri. Existase quarcuri, grupate n trei perechi(generaii):up (sus)idown(jos), charm(farmec)i strange(ciudat),top (deasupra)ibottom (dedesubt). De asemenea, pentru fiecare din aceste quarcuri exist un antiquarc corespunztor. Quarcurileauneobinuitacaracteristicdeaaveaosarcinelectricfracional,spre deosebiredeprotonielectron,careausarcinielectricentregi,de+1,respectiv-1.Astfel, quarcurile up, charm i top au sarcina electric +2/3 iar quarcurile down, strange i bottom au sarcinaelectric -1/3. Quarcurile poart de asemenea unalt tip de sarcin, numit sarcin de culoare. Pentruafacemodelulacestanoualparticulelorsexplicesutedeparticuledeja existente,quarcuriloratrebuitsliseatribuiesarcinielectricefracionalede2/3i-1/3. Quarcurile nu au fost observate niciodat ca entiti de sine stttoare, astfel c iniial acestea aufostprivitedoarcaoficiunematematic.Deatunci,experimentelei-auconvinspe fizicieni nu doar de existena quarcurilor, ci i de faptul c ei sunt n numr de ase, nu de trei. Hadronii Quarcurile se afl doar n grupuri cu alte quarcuri i nu se gsesc niciodat singuri (ca entitidesinestttoare).Particulelecompusedinquarcurisenumeschadroni.Dei quarcurile individuale au sarcini electrice fracionale, ele se combin astfel nct hadronii au o 19 din 37 Fig. II. 3. Reprezentani ai celor dou clase de hadroni: barioni i mezoni sarcin electric total ntreag. O alt proprietate a hadronilor este c acetia nu nsumeaz n total nicio sarcin de culoare, dei quarcurile nsele poart o sarcin de culoare.Existdoutipuridehadroni:barioniii fermionii. Barioniisuntreprezentaideorice hadroncareeste alctuit din trei quarcuri. Deoarecesuntalctuiidindouquarcuri up i un quarc down, protonii sunt barioni. Lafelsuntineutronii,formaidintr-un quarc up i dou quarcuri down. Mezoniiconinunquarciun antiquarc.Unexempludemezonesteun pion(+),careestealctuitdintr-unquarc upiunantiquarcdown.Antiparticula acestuimezoninverseazquarculi antiquarcul,astfelcunantipion(-) conine un quarc down i un antiquarc up. Deoarece un mezon este constituit dintr-o particulioantiparticul,elestefoarteinstabilidupuntimp(deobiceiscurt)seva dezintegra. Unlucruciudatdesprehadroniestecdoaropartefoartemicamaseilorse datoreaz quarcurilor din care sunt compuse. 4.2. Leptoni Cellalttipalparticulelormaterieilreprezintleptonii.Existasetipuri deleptoni, dintre care trei au sarcin electric, iar ceilali trei nu au. Leptonii sunt grupain trei generaii a cte doi, un lepton cu sarcin i neutrinul su. Ei apar ca particule punctiforme fr structur intern.Leptonii sunt particule solitare, dec i sunt stabile i exist singure, spre deosebire de quarcuri, care pot exista doar cte dou sau cte trei, n hadroni. 20 din 37 Fig. II.4. Cei 6 leptoni, alturi de anti particulele acestora Celmaicunoscutleptonesteelectronul.Ceilalidoileptonincrcaielectricsunt miuonul i particula tau, care au aceeai sarcin ca i electronul, dar mas mult mai mare. Neutrinii Ceilalitreileptonifr sarcinelectric(neutrinii)sunt reprezentaideceletreitipuride neutrini: neutrinul electronic, neutrino miuonicineutrinultauonic.Acetia nuausarcinelectric,auomas foartemicisuntfoartegreude detectat,deoareceinteracioneaz foartegreucumateria.Dintrecele4 fore fundamentale, neutrinii se supun doarforeigravitaionaleicelei slabe. Neutriniisuntproduin dezintegrrilealtorparticule,existenalorfiinddedusdatoritlegiideconservarea impulsului.Produiirezultainurmadezintegrriitrebuiesaibunimpulstotalegalcu zero, ceea ce necesit prezena unei particule cu impuls de valoare potrivit pentru a balansa evenimentul n sensul de a face ca aceast dezintegrare s conserve impulsul.4.3. Dezintegrarea leptonilor Leptonii mai grei, miuon-ul i particula tau, nu se gsesc n materia obinuit. Aceasta din cauz c atuncicnd sunt produi, ei se dezintegreaz foarte repede sau se transform n leptonimaiuori.Uneori,leptonultausedezintegreazntr-unquarc,unantiquarc,iun neutrino.Electroniiiceletreitipurideneutrinisuntstabiliiastfelsunttipuriledeleptoni care exist n mod obinuit n jurul nostru. Atuncicndunleptongreusedezintegreaz,unadinparticulelecarerezulteste ntotdeaunatipuldeneutrinoceicorespunde.Celelalteparticulepotfiunquarci antiquarcul su sau un alt lepton cu sarcin i antineutrinul acestui lepton. 21 din 37 Unele tipuri de dezintegrri ale leptonilor sunt posibile, iar altele nu. Pentru a explica acest lucru, leptonii au fost mprii n cele trei familii de leptoni: electronul i neutrinul su, miuonulineutrinulsuiparticulatauineutrinulsu.ntr-odezintegrare,numrulde leptoni din fiecare familie trebuie s rmn constant. O particul i antiparticul din aceeai familie se neutralizeaz, suma lor fiind egal cu zero.Numrulelectronului,numrulmiuonuluiinumrulparticuleitausuntaltetrei variabilecermn constante n dezintegrrile leptonilor.Electronii i neutrinii electroniciau numrulelectronului+1,iarpozitronii(antielectronii)ineutriniipozitronici(anti-neutrinii electronici)aunumrulelectronului-1itoatecelelalteparticuleelementare(quarcurii leptoni) au numrul electronului 0. Numrul miuonului i numrul particulei tau funcioneaz n mod analog. Acestenumeresuntimportantencadruldezintegrrilorleptonilor,deoarecenumrul electronului, numrul miuonului i numrul particulei tau se conserv ntotdeauna atunci cnd un lepton masiv se dezintegreaz n leptoni mai mici. 4.4. Generaiile materiei Att quarcurile ct i leptonii exist n trei familii distincte. Fiecare familie de quarcuri ileptoniceauanumitevaloriexactealesarciniielectricesenumetegeneraiedematerie (sarcini+2/3,-1/3,0i-1).Generaiilesuccesiveconinparticuledincencemaimasive. Exist trei generaii. ToatmateriavizibildinUniversestealctuitdinparticulealematerieideprim generaie,quarcuriup,quarcuridownielectroni.Aceastadeoarecetoateparticuleledina doua i a treia generaie sunt instabile i se dezintegreaz rapid n particule stabile ale primei generaii. Momentan nu se tie de ce exist exact trei generatii, deci posibilitatea existenei altor generaiinupoatefiexclus.Poatecniciquarcurile,nicileptoniinusuntdefapt fundamentali,cisuntalctuiidinparticuleimaifundamentale,carecombinateproduc diversele tipuri de quarcuri i leptoni pe care le observm n prezent. 22 din 37 Fig II.5. Cele patru fore fundamentale i efectele lor asupra fizicii 5. Cele 4 fore fundamentale Universul, pe care l cunoatem, exist datorit interaciilor particulelor fundamentale. Acesteinteraciuniincludforeledeatracieiderespingere,dezintegrareauneiparticulei anihilareadeparticule.Existpatruinteraciunifundamentalentreparticuleitoateforele din lume pot fi explicate prin acestepatruinteraciuni fundamentale. Orice for care exist estecauzatdeunadintre acestepatruinteraciuni fundamentale:fora electromagnetic,foratare, foraslabifora gravitaional. Oforesteefectul asuprauneiparticuledatorit prezeneiuneialteparticule. Interaciunilesedifereneaz deforeprinfaptulc interaciunileuneiparticule includtoateforelecareo afecteaz, dar includ i dezintegrrile i anihilrile prin care particula s-ar putea s treac. 5.1. Cum interacioneaz particulele ntre ele Particulele interacioneaz fr a se atinge! La nivel fundamental, o for nu este ceva caresentmplpurisimpluparticulelor.Eaesteunlucrucareestetransferatntredou particule. Toateinteraciunilecareafecteazparticuledemateriesuntdatorateunuischimbde particulele purttoare de fore, un cu totul alt tip de particule (bosonii). 23 din 37 O particul purttoare a unei anumite fore poate s fie doar absorbit i produs de o particulamaterieicareesteafectatdeaceafor.Deexemplu,electroniiiprotoniisunt ncrcai din punct de vedere electric, deci ei pot produce i absorbi fotonul, purttorul forei electromagnetice.Neutriniinusuntncrcaidinpunctdevedereelectric,decieinupot absorbi sau produce fotoni. Un alt exemplu este c doar quarcii pot emite i absoarbe gluoni, respul particulelor neavnd sarcin culoare. 5.2. Fora electromagnetic Fora electromagnetic face ca obiecte ncrcate cu sarcin electric de acelai semn s seresping,iarcelencrcatecusarcinelectricdesemnopussseatrag.Frecareai magnetismul sunt cauzate de fora electromagnetic. Tot fora electromagnetic este cea care ofer consisten obiectelor, datorit acesteia existnd materialele. Tot ea confer materialelor solide proprietatea de a nu putea trece unele prin altele. Particulapurttoaredeforelectromagneticestefotonul.Fotoniideenergiidiferite cuprindntregulspectruelectromagnetic,precumrazeleX,luminavizibil,undeleradio, microundeleetc.Fotoniiaumasanulisedeplaseazcuvitezaluminii,c,careestede aproximativ 299,792,458 de metri pe secund. Fora electromagnetic rezidual Atomii au de obicei un numr egal de protoni i de electroni. Ei sunt neutri din punct de vedere electric ntruct protonii pozitivi anuleaz electronii negativi. ns prile ncrcate electricaleunuiatompotinteracionacuprilencrcateelectricaleunuialtatom.Acest lucrupermiteatomilordiferiisseuneasc,iaracestefectpoartnumeledefora electromagnetic rezidual. Deci fora electromagnetic le permite atomilor s se uneasc i s formeze molecule, permind astfel lumii s fie stabil i s creeze materia cu care interacionm tot timpul. 24 din 37 5.3. Fora tare Quarcurileausarcinelectric,dariuntiptotaldiferitdesarcinnumitsarcinde culoare.Foradintreparticulelencrcatecusarcindeculoareestefoarteputernic,deci aceast for este denumit fora nuclear tare sau fora tare. Forataremeninequarcurilempreunpentruaformahadroni,iarparticulele purttoare ale acestei fore sunt numite gluoni. Sarcina de culoare se comport diferit fa de sarcina electromagnetic. Gluonii nii au sarcin de culoare, ceea ce este ciudat, deoarece fotonii nu sunt ncrcai electromagnetic. n timp ce quarcurile o au sarcin de culoare, particulele compuse alctuite din quarcuri nu au sarcin de culoare (ele sunt neutre din punct de vedere al culorii). Din acest motiv, fora tare i face simit prezenadoar la distane mici unde interacioneaz quarcurile, iar din aceast cauz fora tare nu are nici un efect n viaa de toate zilele. Sarcina de culoare Quarcurileigluoniisuntparticulecareausarcindeculoare.Lafelcumparticulele ncrcateelectricinteracioneaz electromagneticinterschimbndfotoni, particulelecusarcindeculoare interschimbgluonininteraciunitari. Cnddouquarcurisuntapropiate,ele interschimbgluoniicreeazuncmp foarteputernicdefordeculoarecare leag quarcurile mpreun. Cmpul de for devinetotmaiputernicpemsurce quarcurilesendeprteaz.Quarcurilei schimb sarcina de culoare n mod constant pemsurceinterschimbgluonicualte quarcuri. Sarcina de culoare nu are nici o legtur cu culorile vizibile, ea este doar o convenie de nume pentru un sistem matematic care explic observaiile despre quarcurile din hadroni. Fig. II.6. Sarcinile de culoare ale quarcilor i ale gluonilordintr-un barion 25 din 37 Existtreisarcinideculoareitreisarcinideanticuloarecorespunztoare.Fiecare quarcareunadintreceletreisarcinideculoareifiecareantiquarcareunadintreceletrei sarcini de anticuloare.La fel cum o combinaie de lumin roie, verde i albastr conduce la luminalb,ntr-unbarionocombinaiedesarcinideculoare"roie","verde"i"albastr" esteneutrdinpunctdevederealculorii,iarntr-unantibarionocombinaiede"antirou", "antiverde"i"antialbastru"estedeasemeneaneutrcaiculoare.Mezoniisuntneutridin punct de vedere al culorii ntruct ei au combinaii de genul "rou" i "antirou". ntructemisiaiabsorbiadegluoniprovoacntotdeaunaschimbareaculorii quarcurilor ce emit sau absorb gluonii i cum culoarea este o cantitate conservat (la fel ca i numrulelectronului),sepoatededucecgluoniipoartosarcindeculoareiunade anticuloare. Din moment ce exist nou posibile combinaii culoare - anticuloare, ne-am putea atepta la nou posibile sarcini ale gluonilor, dar din mecanica matriceal reiese c exist doar optcombinaii.Dinpcate,nuexistnicioexplicaieintuitivpentruacestrezultat,aceasta fiind o proprietate specific particulelor, la fel ca micarea de spin. Quarcii particule sociale Particulelecareausarcindeculoarenupotfiexistaindividual,caentitidesine stttoare. De aceea, quarcurile cu sarcin de culoare sunt grupatei mpreun cu alte quarcuri nparticulenumitehadroni.Acestegrupuricompusesuntneutredinpunctdevedereal culorii. DezvoltareateorieiModeluluiStandardalinteracieitariascoslalumindovezi referitoarelacombinareaquarcurilornbarioni(treiquarcuri)imezoni(unquarciun antiquarc), dar nu i obiecte care s conin patru sau mai multe quarcuri. Numai barionii (trei culoridiferite)imezonii(culoareianticuloare)suntneutridinpunctdevederealculorii. Particule formate din dou sau patru quarcuri nu pot fi combinate n stri neutre din punct de vedere al culorii i de aceea nu exist. Cmpul forei de culoare Quarcuriledintr-unhadronemitiabsorbomulimedegluoni.Deaceea,cmpul forei de culoare, alctuit din gluoni, este cel care menine quarcurile mpreun. 26 din 37 Fig. II.7. ntinderea i ruperea cmpului forei de culoare Dacunuldintrequarcuriledintr-un anumithadronestendeprtatdeveciniilui, cmpulforeideculoarese,,ntindentre quarciveciniilui.Astfel,totmaimult energie se adaug cmpului forei de culoare pe msurcequarcurilesuntndeprtate.ntr-un anumitpunct,cmpulforeideculoareserupe icreazoperechenouquarc-antiquarc.nacestprocesenergiaesteconservatntruct energia cmpului forei de culoare este convertit n masa noilor quarcuri i cmpul forei de culoarerevine n starea "netensionat". Quarcurile nu pot exista individual ntruct fora de culoare crete pe msur ce ei sunt ndeprtai, proprietate numit libertate asimptotic. Schimbul de sarcini de culoare ntre quarci Culoareaquarcurilorestentotdeaunaconservat.Cndunquarcemitesauabsoarbe un gluon, culoarea acelui quarc trebuie s se schimbe pentru a conserva sarcina de culoare. De exemplu, s presupunem c un quarc rou se schimb ntr-un quarc albastru i emite un gluon rou-antialbastru.Culoareafinalestetotuirou.Astasepetrecedatoritfaptuluicdup emisiagluonului,culoareaalbastraquarculuiseanuleazcuculoareaantialbastrua gluonului. Culoarea care rmne este culoarea roie a gluonului. Quarcurileemitiabsorbgluonifoartefrecventntr-unhadron,decinuexist posibilitateadeaobservaculoareaunuisingurquarc.Totui,ninteriorulunuihadron culoareacelordouquarcuricareinterschimbungluonsevaschimbantr-unmodcare menine sistemul legat ntr-o stare neutr din punct de vedere al culorii. Fora tare rezidual Din momentce protonii pozitivi se resping unii pe alii cu foraelectromagnetic, iar protoniiineutroniisuntneutridinpunctdevederealsarciniideculoare,foracareine protonii i neutronii mpreun n nucleu a dat mule bti de cap fizicienilor. 27 din 37 Pn la urm motivul pentru care se ntmpl acest lucru a fost gsit: fora tare dintre quarcurile dintr-un proton i quarcurile dintr-un alt proton este suficient de puternic pentru a depiforaelectromagneticderespingere.Aceastfor,numitforatarerezidual,ine mpreun protonii i neutronii ntr-un nucleu stabil. 5.4. Fora slab Interaciunileslabesuntresponsabilepentrudezintegrareaquarcurilorileptonilor masivinquarcuriileptonimaiuori.Cndparticulelefundamentalesedezintegreaz,un fenomenciudatareloc:observmcumparticuladispareiestenlocuitdedousaumai multeparticulediferite.Cutoatecmasaienergiatotalseconserv,opartedinmasa particuleioriginaleesteconvertitnenergiecineticiparticulelerezultanteauntotdeauna suma maselor mai mic dect masa particulei originale care s-a descompus. Cnd un quarc sau un lepton i schimb tipul se spune c i schimb aroma. Toate schimbriledearomsuntdatorateinteraciuniislabe.Particulelepurttoareale interaciunilorslabesuntparticuleleW+,W-iZ.W-urilesuntncrcateelectric,iarZeste neutru.ModelulStandarduneteinteraciunileelectromagneticeiinteraciunileslabentr-una singur, denumit interaciunea electroslab. "Aromele" quarcurilor Fiecarequarcareoanumitarom.Aromaunuiquarcpoatefi:up,down, charm, strange, bottom sau top. Doar interaciunile slabe mediate de particule ncrcate electric (de particule W+ i W-) pot schimba tipul (aroma) unei particule. Interaciunile slabe care implic particula neutr Z nu pot schimba tipul unei particule. Leptonii au i ei o arom. n plus, ei au numr pentru electron, miuon i particula tau. ntimpcearomaleptonuluiesteschimbatdectreinteraciunileslabe,procesulconserv numerele electronului, miuonului i particulei tau. 28 din 37 Fora electroslab n Modelul Standard, interaciunile slab i electromagnetic au fost combinate ntr-o teorieunificatelectroslab.Fizicieniiaucrezutmulttimpcforeleslabeauolegtur strns cu forele electromagnetice. Pnlaurmeiaudescoperitcladistanefoartescurte(aproximativ10-18metri), tria interaciei slabe este comparabil cu cea a interaciei electromagnetice. Pe de alt parte, la o distan de treizeci de ori mai mari dect precedenta (3x10-17 m), tria interaciunii slabe estede10.000maimicdectceaainteraciuniielectromagnetice.Ladistanespecifice quarcurilor aflate ntr-un proton sau neutron (10-15 m), fora este chiar mai mic. Fizicienii au ajuns la concluzia c fora slab i cea electromagnetic au trii aproape egale.Acestlucrusentmplntructtriauneiinteraciunidepindemultattdemasa particuleipurttoaredefor,ctidedistanainteraciunii.Diferenadintretriilelor observateestedatoratmariidiferenedemasdintreparticuleleWiZ,caresuntfoarte masive i cea a fotonului, care nu are mas. 5.5. Fora gravitaional Gravitaia este ciudat. Este clar c ea este una dintre interaciunile fundamentale, ns ModelulStandardnupoatesoexplicesatisfctor.nplus,oparticulpurttoareaforei gravitaionalenuafostncgsit.Totui,sepresupunecoastfeldeparticul,numit graviton,exist.Efectelegravitaieisuntextremdemicincazulfiziciiparticulelor comparabilcucelelaltetreiinteraciuni,astfelcModelulStandardfuncioneazfra explica gravitaia ModelulStandardesteoteoriebun.Experimenteleauverificattoateprediciilesale cu o precizie incredibil i au fost gsite toate particulele prezise de ctre aceast teorie. Dar eanuexplictot.Deexemplu,foragravitaionalnuesteexplicatdeModelulStandard, deoarece ea este att de slab la scara particulelor, nct este complet neglijabil. 29 din 37 6. Antimateria Ce este antimateria? Pentrufiecaretipdeparticuldemateriepecareamgsit-o,existoparticulde antimaterie corespondent (numit antiparticul). Antiparticulele arat i se comport la fel ca particuleledemateriecorespunztoare,numaicausarcinielectricedesemnopus.De exemplu,unprotonestepozitivdinpunctdevedereelectric,pecndunantiprotoneste negativ.Gravitaiaafecteazmateriaiantimaterianacelaimodntructgravitaia acioneaz la fel indiferent de sarcina electric a particulei. O particul de materie are aceeai mascuantiparticulaei.Deasemenea,atiquarcurileau,pelngsarcinelectricopus quarcurilor, i anti-sarcin color. Atuncicndoparticuldematerieioparticuldeantimateriesentlnesc,elese anihileaz n energie pur! Totui, exist unele cazuri n care o particul de materie i una de antimaterie pot forma mpreun o particul stabil pentru o anumit perioad de timp. Astfel de particule sunt mezonii. Simboluluzualpentruoantiparticulestesimbolulparticuleicorespunztoarecuo linie deasupra. De exemplu, particula de antimaterie a quarcului up (simbolizat de litera u) esteunantiquarcsimbolizatdeucuoliniudeasupra,caresepronunu-bar. Antiparticulaunuiquarcesteunantiquarc,antiparticulaunuiprotonesteunantiprotonetc. Antielectronul este numit pozitron i se noteaz e+. Unuldincelemaimarimisterealeuniversuluilaoraactualestedeceexistmai multmateriedectantimaterienunivers,avndnvederefaptulcacesteasuntcreaten acelai timp. III. Radioactivitate i dezintegrri Prindezintegrarenuclear,unnucleuatomicsedescompunennucleemaimici.De asemenea,particulelefundamentalesepotdescompunenalteparticule.Dardezintegrarea uneiparticulefundamentalenupoatensemnadivizareanconstitueni,pentruc 30 din 37 fundamental nseamn c nu are constitueni. De fapt, dezintegrarea particulelor se refer la transformareauneiparticulefundamentalenalteparticulefundamentale.nacesttipde dezintegrare,produiifinalinusuntpricomponentealeparticuleices-adescompus,ci particule cu totul noi. ncontinuaresuntprezentatediferiteletipuridedezintegrare,modulcumseproduc acestea i n ce circumstane o dezintegrare poate avea loc sau nu. 1. Radioactivitatea AnumiteprocesenaturalesuntresponsabilepentrueliberareaderazeXdectre anumitesubstane.Aceasteliberareaparticulelorenergeticedatoritdezintegrriinucleelor instabile de atomi poart numele de radioactivitate. Particule radioactive Existtreitipurideradiaie:alfa,betaigama.Particulelealfasuntnucleedeheliu. ParticulelebetasuntelectronirapiziRadiaiagamaestereprezentatdefotonidenalt energie. Acestetreiformederadiaiepotfidifereniatecuajutorulunuicmpmagnetic deoareceparticulelealfasuntdeviatentr-odirecie,fiindncrcatepozitiv;particulelebeta Fig. III.1. Dezintegrarea atomului de uraniu cel mai cunoscut proces radioactiv 31 din 37 sunt deviate n direcia opus, fiind ncrcate negativ; radiaiagama esteneutr din punct de vedere electric, deci nu este deviat. Pentru ca particulele alfa s poat fi oprite e suficient o foaiedehrtie;pentruparticulelebetaenecesarofoaiedealuminiu,iarradiaiagama necesitunperetedeplumb.Toatetipurilederadiaiesuntpericuloase,nsceamai destructiv este radiaia gamma. Nu se poate preciza cu exactitate cnd anume se va dezintegra un atom radioactiv. n cel mai bun caz se poate preciza timpul n care jumtate dintr-o cantitate din acel element se va dezintegra. O privire n interiorul nucleului Particulele subatomice nu se comport deloc ca obiectele cu care suntem obinuii din viaadefiecarezi.Nuputemspunecuexactitatecevafaceoanumitparticul,cidoarce probabilitateareoparticuldeafacelucrulacela.Particulelesemicasemeneaobiectelor macroscopiceobinuiteiauunimpuls,darau,deasemenea,iproprieticaracteristice undelor. Mecanica cuantic, baza matematic pentru teoriile noastre despre particule, studiaz comportarea particulelor n termeni probabilistici. Deoarece particulele au i caracteristici de und, este imposibil s tim n acelai timp ipoziiaiimpulsuluneiparticule.Chiardacestemaiuorsprivimparticulelecanite sfere, acest lucru induce n eroare, ntruct ele sunt reprezentate mai degrab de nite regiuni neclare, n care se va gsi cu siguran particula. Protoniiineutroniimigreazpestetotnuntrulunuinucleu.Existofoartemic anscaoconglomeraiededoiprotoniidoineutroni(careformeazoparticulalfa)s migrezenafaranucleuluinacelaitimp.Cuctemaimareunnucleu,cuattemaimare ansa ca acest lucru s se ntmple. n acest moment asupra particulei alfa nu mai acioneaz fora rezidual tare, i aceasta prsete nucleul atomic, mpreun cu o particul ncrcat cu o sarcin electric negativ. Cndunnucleuatomicsedezintegreazradioactiv,opartedinmasaluieste transformat n energie cinetic (energia particulelor emise n micare). 32 din 37 2. Dezintegrrile particulelor fundamentale Mediatorii dezintegrrilor de particule Nucleul unui atom se poate dezintegra ntr-un nucleu mai puin masiv prin diviziune, dar articulele fundamentale nu se pot divide, ntruct ele nu au constitueni; ele se transform n alte particule. Deciatuncicndoparticulfundamentalsedezintegreaz,easetransformntr-o particulmaipuinmasivioparticulpurttoaredefor(totdeaunaunbosonWpentru dezintegrrileparticulelorfundamentale).Acesteparticulepurttoaredeforse dezintegreaz la rndul lor n alte particule. Rezult c o particul se schimb ntr-un alt tip de particul prin intermediul unei particule intermediare purttoare de for. Aceste particule purttoare de for par s sfideze legile conservrii energiei, deoarece masalorestemaimaredectenergiaprezentncadrulprocesuluidedezintegrare.Totui, aceste particule triesc att de puin nct, datorit Principiului incertitudinii al lui Heisenberg, nicioregulnuestenclcat.Acesteparticulelepurttoaredeforsuntnumiteparticule virtuale. Principiul incertitudinii cuantice al lui Heisenberg PrincipiulincertitudiniialluiHeisenbergesteoproprietatefundamentalamecanicii cuantice,conformcreiaesteimposibilsmsurmexactattpoziiauneiparticule,cti impulsul ei. Cu ct tim mai multe informaii despre una dintre ele, cu att mai puine lucruri putem ti despre cealalt. Acestprincipiupoatefiexprimatintermenideenergieitimp:dacoparticul existpentruoperioadfoartescurtdetimp,nusepoateaflacuprecizieenergiaei.O particulcaretrietepuinpoateaveaoenergiedeovaloarecaracterizatdeomare incertitudine, ceea ce conduce la ideea particulelor virtuale. Particule virtuale Particulelesedezintegreazprinintermediulparticulelorpurttoaredefore.nsn unelecazuri,oparticulpoatessedescompunprintr-oparticulpurttoaredeforntr-o 33 din 37 Fig. III.2. Cum funcioneaz particulele virtuale particulcumasamaimaredectparticulainiial,darcu duratmicdevia.Conformprincipiuluiincertitudinii acesteparticuledemasmarepotsexistecuadevratdac ele au o durat de via extrem de scurt. Astfel, ele scap de nevoia de a respecta conservarea energiei, care este conservat doar nainte i dup. Astfel de particule sunt numite particule virtuale. 2.1. Tipuri de dezintegrri nfunciedenaturaparticulelorpurttoaredeforce iauparteladezintegrri,distingemtreitipuri:dezintegrrile slabe, dezintegrrile tari i dezintegrrile electromagnetice. Dezintegrrile "slabe" Doar interaciunile mediate de fora slab pot modifica o particul fundamental ntr-unalttipdeparticul,schimbndaromauneiparticulefundamentaleipermind descompunereaacesteia(nalteparticule).Particulelepurttoarealeforeislabe,W+iW-, mediazdezintegrrilencareparticuleleischimb"aroma"(isarcinaelectric).O dezintegrare mediat de bosonii W+ i W- implic sarcina electric i nu sarcina de culoare i este o interacie slab. Deexemplu,unquarccharmsedezintegreazntr-oparticulmaipuinmasiv, anume n quarcul strange i o particul purttoare de for (bosonul W) care se dezintegreaz apoi n quarcuri up i down. Dezintegrrile "tari" Particulelepurttoarealeforeitari,gluonii,mediazdezintegrrilecarepresupun schimbride"culoare".Odezintegraremediatdegluonimplicsarcinadeculoare,darnu sarcina electric i este o interacie tare. 34 din 37 Dezintegrrile si anihilarile electromagnetice: ntr-unmezon,quarculi antiquarcul se pot anihila reciproc; din acest proces rezultnd 2 fotoni. Acesta esteunexempludedescompunerede naturelectromagnetic.Unalt exemplulconstituieprocesulde anihilarealunuielectroncuun pozitron,dinacestprocesputnd rezulta de asemenea doi fotoni sau doi quarci. Anihilri Teoretic,anihilrilenusuntdezintegrri,dareleaulocprinintermediulparticulelor virtuale.ntr-oanihilare,oparticuldematerieioparticuldeantimaterieseanihileaz complet una pe cealalt, transformndu-se n energie. Eleinteracioneazunelecualtele,transformndenergialorntr-oparticulfoarte energeticpurttoaredefor(ungluon,oparticulW+,W-sauZ,sauunfoton).Aceste transportoare de for sunt transformate mai apoi n alte particule. 2.2. Exemple de dezintegrri Dezintegrarea nuclear beta Un neutron se transform ntr-un proton, un electron i un antineutrino. Acest fenomen este numit dezintegrare beta. Fig.III.3. Una din posibilitaile de anihilare ale unui electron cu un pozitron 35 din 37 Unul dintre quarcurile down ale neutronuluiestetransformatntr-un quarcup,neutronultransformndu-se astfelntr-unproton.Dinmomentce quarculdownareosarcinde-1/3i quarculupareosarcinde2/3, nseamncprocesulestemediatdeo particulWvirtual,caretransportla distan o sarcin de -1. Particula W se dezintegreaz mai apoi ntr-un electron i un antineutrino. Anihilri de electron i pozitron Cndunelectroniunpozitron(antielectron)seciocnesclaenergiemare,eisepot anihila pentru a produce quarcuri charm care produc apoi mezoni D+ i D-. Electronulipozitronulseciocnesciseanihileaz,eliberndcantitiuriaede energie,care se trasform ntr-un foton sau o particul Z. Aceast particul de dezintegreaz ntr-unquarccharmiunantiquarccharm,carencepssendeprtezeunuldecellalt, ntinznd cmpul forei de culoare ntre ei. Energia din cmpul forei crete odat cu distana dintre quarcuri. Cnd exist suficient energie n cmpul forei, energia este transformat ntr-un quarc i un anti-quarc. Quarcurile se separ n dou particule neutre din punct de vedere al culorii:mezonulD+,formatdintr-unquarccharmiunquarcanti-down,imezonulD-, format dintr-un quarc anti-charm i un quarc down. Producerea unei perechi de quarc top - quarc anti-top Unquarc(dininteriorulunuiproton)iunanti-quarc(dintr-unantiproton)carese ciocnesc la energie mare se pot anihila reciproc pentru a produce un quarc top i un anti-quarc top, care se descompun apoi n alte particule. Fig.III.4. Dezintegrarea beta a neutronului 36 din 37 Unuldintrequarcurileprotonuluiiunuldintreanti-quarcurileantiprotonuluise ciocnesc,anihilndu-sengluonivirtuali,careformeazmaiapoiunquarctopiunquarc antitop.Deaicilucrurilesuntsimilarecucazulprecedent:quarcurilencepssedistaneze, ntinznd cmpul forei de culoare. Cele dou quarcuri se dezintegreaz ntr-un quarc bottom i un quarc antibottom cu emisia particulelor W purttoare de for. Noile quarcuri formeaz mpreununmezon,iardinbosoniiW-iW+seformeazunelectroniunneutrino, respectiv un quarc up i un antiquarc down. Prin ntinderea cmpurilor forei de culoare ntre quarcurile nou formate se pot forma alte quarcuri care n final se combin n mezoni. Acesteasuntcelemaiimportantedescoperirialefiziciiparticulelorfundamentale. Folosindu-nedeacestea,vomputeancurndsexplicmtoatefenomenelefiziceexistente i, de ce nu, s aducem omenirea ntr-o nou er: era cuantic. 37 din 37 Bibliografie 1.www.descopera.ro 2.www.stiintasitehnica.ro 3.www.scientia.ro 4.www.britannica.com 5.Griffiths, David J. (1987). Introduction to Elementary Particles. Wiley, John & Sons 6.Gordon L. Kane (1987). Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books