sâmbătă, 18 iulie 2009

Aventura particulelor elementare - Din ce e facută lumea?

După cum aţi citit în prima parte a seriei, totul, începând cu galaxiile, continuând cu munţii şi terminând cu moleculele, este alcătuit din cuarci şi leptoni. Însă asta nu este întreaga poveste. Cuarcii se comportă diferit faţă de leptoni şi pentru fiecare tip de particulă de materie există o particulă de antimaterie corespunzătoare.

Din ce e facuta lumea si cine o tine compacta?

Materie şi antimaterie

Pentru fiecare tip de particulă de materie pe care am găsit-o, există o particulă de antimaterie corespondentă (numită antiparticulă). Antiparticulele arată şi se comportă la fel ca particulele de materie corespunzătoare, numai că au sarcini electrice de semn opus. De exemplu, un proton este pozitiv din punct de vedere electric, pe când un antiproton este negativ. Gravitaţia afectează materia şi antimateria în acelaşi mod întrucât gravitaţia acţionează la fel indiferent de sarcina electrică a particulei. De asemenea, o particulă de materie are aceeaşi masă cu antiparticula ei.

Atunci când o particulă de materie şi o particulă de antimaterie se întâlnesc, ele se anihilează în energie pură!

Ce este antimateria?

Uşurel! "Antimaterie?" "Energie pură?" Ce este asta, Star Trek? Ideea de antimaterie este ciudată şi cu atât mai ciudată cu cât Universul pare să fie compus în totalitate din materie. Antimateria pare să contrazică tot ceea ce ştim noi despre Univers.

Dar puteţi vedea evidenţă a antimateriei în această fotografie (mulţumim laboratorului Fermilab pentru ea) al acestui detector format din o cameră cu bule. Câmpul magnetic din încăpere face ca particulele negative să devieze spre stânga, iar ca cele pozitive să devieze spre dreapta. Multe perechi electron-pozitron apar ca din senin, dar provin de fapt din fotoni care s-au deplasat fără să lase nici o urmă. Pozitronii (anti-electroni) se comportă la fel ca electronii, dar îşi deviază traiectoria în sens contrar pentru că au sarcină electrică opusă. (Una din aceste perechi electron-pozitron este evidenţiată în această fotografie.

Dacă antimateria şi materia sunt sunt perfect egale dar opuse, de ce este cu mult mai multă materie decât antimaterie în Univers? Ei bine… nu ştim. Dar este o întrebare care nu îi lasă pe fizicieni să doarmă bine noaptea.

Simbolul uzual pentru o antiparticulă este simbolul particulei corespunzătoare cu o linie deasupra. De exemplu, particula de antimaterie a cuarcului up (simbolizat de litera “u”) este un anticuarc simbolizat de “u” cu o liniuţă deasupra, care se pronunţă “u-bar”. Antiparticula unui cuarc este un anticuarc, antiparticula unui proton este un antiproton, ş.a.m.d.. Antielectronul este numit pozitron şi se notează e+.

Cuarci

Cuarcii sunt un tip de particule ale materiei. Cea mai mare parte a materiei pe care o vedem în jurul nostrum este formată din protoni şi neutroni, care sunt alcătuiţi din cuarci.

Există şase cuarci, dar de obicei fizicienii se referă la ei în termenul a trei prechi: up (sus) şi down (jos), charm (farmec) şi strange (ciudat), top (deasupra) şi bottom (dedesubt). De asemenea, pentru fiecare din aceşti cuarci există un anticuarc corespunzător. Este bine că au nume atât de haioase, căci sunt mai uşor de reţinut.

Cuarcii au neobişnuita caracteristică de a avea o sarcină electrică fracţională, spre deosebire de proton şi electron, care au sarcini electrice întregi, de +1, respectiv -1. Cuarcii poartă de asemenea un alt tip de sarcină, numită sarcină de culoare, despre care vom discuta mai târziu.

Cuarcul care le-a dat cea mai mare bătaie de cap experimentatorilor a fost cuarcul top, care a fost descoperit în anul 1995, după ce existenţa sa fusese prezisă deja cu 20 de ani în urmă. Vreţi să vedeţi idea unui fizician al particulelor despre un bun joc de cuvinte?

Denumirile cuarcilor

Denumirea de “cuarci” a luat naştere în anul 1964 când Murray Gell-Mann şi George Zweig au sugerat faptul că sute de particule cunoscute până atunci ar putea fi explicate ca şi combinaţii de doar trei particule fundamentale. Gell-Mann a ales numele de “quark”, pronunţat “cuarc”, pentru aceste trei particule, un cuvânt fără sens folosit de către James Joyce în romanul “Finneganţs Wake” (Trezirea lui Finnegan): “Trei cuarci pentru Muster Mark!"
.
Pentru a face modelul acesta nou să explicele sute de particule deja existente, cuarcilor a trebuit să li se atribuie sarcini electrice fracţionale de 2/3 şi -1/3. Asemenea sarcini electrice nu se mai observaseră niciodată pâna atunci. Cuarcii nu au fost observaţi niciodată ca entităţi de sine stătătoare, astfel că iniţial aceşti cuarci au fost priviţi doar ca o ficţiune matematică, ajutătoare, ce-I drept. De atunci, experimentele i-au convins pe fizicieni nu doar de existenţa cuarcilor, ci şi de faptul că ei sunt în număr de şase, nu de trei. Dar cum au primit cuarcii numele lor amuzante? Există şase tipuri (“arome”) de cuarci, după cum urmează.

Cele mai uşor cuarc este cuarcul up (sus).

Următorul cuarc ca valoare a masei este cuarcul down (jos), cu masă doar puţin mai mare decât cuarcul top.

Al treilea cuarc este numit strange (ciudat). A fost numit după durata de viaţă “ciudat” de lungă a particulei K, prima particulă compozită care conţinea acest cuarc.

Al patrulea tip de cuarc, cuarcul charm (farmec), a fost denumit astfel dintr-un capriciu. A fost descoperit în anul 1974, aproape în acelaşi timp atât la Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), cât şi la Brookhaven National Laboratory (Laboratorul Naţional Brookhaven).


Al cincilea şi al şaselea cuarc au fost uneori numiţi în trecut truth (adevăr) şi beauty (frumuseţe), dar până şi fizicienii au crezut că acestea erau prea drăguţe.

Cuarcul bottom (de dos, cel ce fusese numit şi beauty) a fost descoperit la Fermilab National Accelerator Laboratory (Fermilab) în anul 1977, într-o particulă compozită numită Upsilon.

Cuarcul top (de deasupra, fostul numit truth) a fost descoperit ultimul, tot la Fermilab, în anul 1995. Este cel mai masiv cuarc. Fusese prezis cu mult timp înainte, dar până atunci nu a fost niciodată observat cu success

Hadroni: barioni şi mezoni

La fel ca elefanţii sociali, cuarcii se află doar în grupuri cu alţi cuarci şi nu se găsesc niciodată singuri (ca entităţi de sine stătătoare). Particulele compuse din cuarci se numesc hadroni.

Deşi cuarcii individuali au sarcini electrice fracţionale, ei se combină asfel încât hadronii au o sarcină electrică totală întreagă. O altă proprietate a hadronilor este că aceştia nu însumează în total nici o sarcină de culoare, deşi cuarcii înşişi poartă o sarcină de culoare (vom vorbi mai mult despre sarcina de culoare mai.Există două tipuri de hadroni, după cum urmează:

Barioni reprezintă orice hadron care este alcătuit din trei cuarci (ccc). Deoarece sunt alcătuiţi din doi cuarci up şi din un cuarc down (uud), protonii sunt barioni. La fel sunt şi neutronii, formaţi din un cuarc up şi doi cuarci down (udd).

Mezonii… conţin un cuarc (c) şi un anticuarc (c-bar). Un exemplu de mezon este un pion (+), care este alcătuit dintr-un up şi un anticuarc down. Antiparticula acestui mezon inversate cuarcul şi anticuarcul, astfel că un antipion (-) comţine un cuarc down şi un anticuarc up.

Deoarece un mezon este constituit dintr-o particulă şi o antiparticulă, el este foarte instabil şi după un timp (în general scurt) se va dezintegra. Mezonul K- trăieşte totuşi mult mai mult decât marea majoritate a mezonilor, de aceea i se spune “ciudat (strange)”, şi a dat acest nume cuarcului ciudat (strange), unul din cuarcii care îl compun.
Un lucru ciudat despre hadroni este că doar o parte foarte foarte foarte mică a masei sale se datorează cuarcilor din el.

Leptoni

Celălalt tip al particulelor materiei îl reprezintă leptonii. Există şase tipuri de leptoni, dintre care trei au sarcină electrică, iar ceilalţi trei nu. Ei apar ca particule punctiforme fără structură internă. Cel mai cunoscut lepton este electronul (e-). Ceilalţi doi leptoni încărcaţi electric sunt muonul (mu) şi tau-onul (tau), care au aceeaşi sarcină ca şi electronul, dar masa mult mai mare. Ceilalţi leptoni sunt reprezentaţi de cele trei tipuri de neutrini (nu). Aceştia nu au sarcină electrică, au o masă foarte mică şi sunt foarte greu de observat.

Cuarcii sunt sociabili şi există doar împreună cu alţi cuarci în particule compozite, în timp ce leptonii sunt particule solitare. Găndiţi-vă la cele trei tipuri de leptoni încărcaţi electric ca la trei tipuri de feline, fiecare din ele având câte un tip de purice, mic şi greu de observat.

Pentru fiecare lepton (particulă de materie) există un partener de antimatier numit antilepton. Anti-electronul poartă însă numele de “pozitron”.

Dezintegrarea leptonilor

Leptonii mai grei, muon-ul şi tau-l, nu se găsesc deloc în materia obişnuită. Aceasta din cauză că atunci când sunt produşi, ei se dezintegrează foarte repede sau se transformă în leptoni mai uşori. Uneori, leptonul tau degenerează într-un cuarc, un anticuarc, şi un neutrino tau. Electronii şi cele trei tipuri de neutrino sunt stabili şi astfel sunt tipurile pe care le vedem în mod obişnuit în jurul nostru.

Flash dezintegrare muon leutz

Atunci când un lepton greu se dezintegrează, una din particulele care rezultă este întotdeauna tipul de neutrino ce îi corespunde. Celelalte particule pot fi un cuarc şi anticuarcul său, sau un alt lepton şi antineutrino-ul său.

Fizicienii au observat că unele tipuri de dezintegrări ale leptonilor sunt posibile, iar altele nu. Pentru a explica acest lucru, ei au împărţit leptonii în trei familii de leptoni: elctronul şi neutrino-ul său, muonul şi neutrino-ul său şi taul şi neutrino-ul său. Într-o dezintegrare, numărul de leptoni din fiecare familie trebuie să rămână constant. (O particulă şi antiparticulă din aceeaşi familie se “anulează”, totalul lor fiind egal cu zero.) Dar deşi leptonii sunt solitari, ei sunt întotdeauna loiali familiilor lor!

Conservarea tipului de leptoni

Leptonii sunt împărţiţi în trei familii de leptoni: elctronul şi neutrino-ul său, muonul şi neutrino-ul său şi tau şi neutrino-ul său. Folosim termenii “numărul electronului”, “numărul muonului” şi “numărul tau-lui” pentru a ne referi la familia de leptoni a unei particule. Electronii şi neutriniii electronici au numărul electronului +1, pozitronii şi neutrinii pozitronici au numărul electronului -1 şi toate celelalte particule au numărul electronului 0. Numărul muonului şi numărul taului operează analog.

Atunci, un lucru important despre leptoni este că numărul electronului, numărul muonului şi numărul tau-lui se conservă întotdeauna atunci când un lepton masiv se dezintegrează în leptoni mai mici.

Să luam un exemplu de dezintegrare: Un muon degenerează într-un muon neutrino, un electron şi un electron antineutrino: După cum puteţi vedea, numerele electronului, al muonului şi al tau-lui se conservă. Noi credem că acestea, precum şi alte legi ale conservării, definesc dacă un anumit tip de dezintegrare la care ne-am putea gândi este sau nu posibilă.

Neutrini

Neutrinos sunt, cum am spus, un tip de leptoni. De vreme ce nu au sarcină electrică sau sarcină de culoare, ei nu interacţionează aproape niciodată cu nici o altă particulă. Marea lor majoritate traversează Pământul fără a interacţiona cu vreun atom al acestuia.

Neutrinii sunt produşi într-o varietate de interacţiuni, în special în dezintegrări de particule. De fapt, tocmai prin studiul atent al dezintegrărilor radioactive, fizicienii au făcut făcut observaţii care i-au dus cu gândul la ipoteza existenţa neutrinului.

Flash dezintegrare neutron

De exemplu: (1) Într-un nucleu radioactiv, un neutron în repaus (impuls zero) se dezintegrează, eliberând un proton şi un electron. (2) Conform legii de conservare a impulsului, produşii rezultaţi în urma dezintegrării trebuie să aibă un impuls total egal cu zero, pe care protonul şi electronul observaţi evident nu îl au. (3) De aici deducem prezenţa unei alte particule cu impuls de valoare potrivită pentru a balansa evenimentul în sensul de a face ca această dezintegrare să conserve impulsul. (4) A fost emisă atunci ipoteza că a fost eliberat un antineutrino. Ulterior experimentele au confirmat acest lucru.

Deoarece neutrinoii au fost produşi în cantitate mare în Universul timpuriu şi ei doar rareori interacţionează cu materia (în aceste interacţii ei ar fi anihilaţi şi alte particule ar fi produse), ei se află încă într-un număr mare în Univers. Masa lor mică şi numărul lor uriaş pot contribui la masa totală a Universului şi îi pot afecta expansiunea.

Generaţiile materiei

Reţineţi că atât cuarcii, cât şi leptonii, există în trei familii distincte. Fiecare familie de cuarci şi leptoni ce au anumite valori ale sarcinii electrice se numeşte generaţie de materie (sarcini +2/3, -1/3, 0, şi -1). Generaţii succesive conţin particule cu mase tot mai mari. Există fix trei generaţii.

Toată materia vizibilă din Univers este alcătuită din particule ale materiei de primă generaţie, cuarci up, cuarci down şi electroni. Aceasta deoarece toate partculele din a doua şi a treia generaţie sunt instabile şi se dezintegrează rapid în particule stabile ale primei generaţii.

Dar stai un pic! Dacă generaţiile mai înalte ale materiei se dezintegrează repede, sunt observate rar şi nu fac parte din materia stabilă din jurul nostru, de ce există la urma urmei? Bună întrebare. De fapt, atunci când a fost descoprit muonul (prima particulă din a doua generaţie), fizicianul I.I. Rabi a întrebat.

Cine a comandat asta? (I. I. Rabi, referindu-se la muon.)

Atunci de ce avem generaţii ale materiei? De ce ele sunt trei? Nu ştim. Şi fără a înţelege de ce generaţiile a doua şi a treia există, nu putem să excludem posibilitatea de a exista încă mai mulţi cuarci şi leptoni din noi generaţii pe care nu i-am descoperit încă. Sau poate răspunsul este că nici cuarcii, nici leptonii nu sunt de fapt fundamentali, ci sunt alcătuiţi din particule “şi mai elementare”, care combinate produc diversele tipuri de cuarcipe care le observăm în prezent.

Niciun comentariu:

Trimiteți un comentariu