Clasificări ale particulelor elementare – Modelul Standard

Un număr mare de particule subatomice există în natură. Aceste particule pot fi clasificate în două moduri: proprietatea de spin și participarea la cele patru forțe fundamentale. Reamintim că spinul unei particule este analog cu rotația unui obiect macroscopic în jurul propriei axe. Aceste tipuri de clasificare sunt descrise separat mai jos.

Clasificare după spin

Particulele de materie pot fi împărțite în fermioni și bosoni. Fermionii au spin semiîntreg (1/2 ℏ, 3/2 ℏ,…), iar bosonii au spin integral (0 ℏ, 1 ℏ, 2 ℏ,…). Exemple familiare de fermioni sunt electronii, protonii și neutronii. Un exemplu familiar de boson este un foton. Fermionii și bosonii se comportă foarte diferit în grupuri. De exemplu, atunci când electronii sunt limitați la o regiune mică a spațiului, principiul de excluziune al lui Pauli afirmă că doi electroni nu pot ocupa aceeași stare mecanică cuantică. Cu toate acestea, atunci când fotonii sunt limitați la o regiune mică a spațiului, nu există o astfel de limitare.

Comportamentul fermionilor și bosonilor în grupuri poate fi înțeles în termenii proprietății de indistinguibilitate. Particulele sunt numite „indistinguibile” dacă sunt identice între ele. De exemplu, electronii sunt indistinguibili deoarece fiecare electron din univers are exact aceeași masă și spin ca toți ceilalți electroni – „când ai văzut un electron, i-ai văzut pe toți”. Dacă schimbi două particule indistinguibile în aceeași mică regiune a spațiului, pătratul funcției de undă care descrie acest sistem și poate fi măsurată (|ψ|²) este neschimbat. Dacă nu ar fi cazul, am putea spune dacă particulele au fost sau nu schimbate și particula nu ar fi cu adevărat indistinguibile. Fermionii și bosonii diferă prin inversarea semnului funcției de undă (ψ) – care nu este direct observabil:

ψ → −ψ (fermioni indistinguibili),

ψ → +ψ (bosoni indistinguibili).

Se spune că fermionii sunt „antisimetrici la schimb”, iar bosonii sunt „simetrici la schimb”. Principiul de excluziune al lui Pauli este o consecință a simetriei de schimb a fermionilor – o conexiune dezvoltată într-un curs mai avansat din fizica modernă. Structura electronică a atomilor se bazează pe principiul de excluziune al lui Pauli și, prin urmare, este direct legată de indistinguibilitatea electronilor.

Clasificare prin interacțiuni de forță

Fermionii pot fi împărțiți în continuare în quarci și leptoni. Principala diferență dintre aceste două tipuri de particule este că quarcii interacționează prin intermediul forței tari, iar leptonii nu. Quarcii și leptonii (precum și bosonii care vor fi discutați mai târziu) sunt organizați în Figura 11.2. Cele două rânduri superioare (primele trei coloane în violet) conțin șase quarci. Acești quarci sunt aranjați în două familii de particule: up, charm și top (u, c, t) și down, strange și bottom (d, s, b). Membrii aceleiași familii de particule au aceleași proprietăți, dar diferă în masă (dată în MeV/c²). De exemplu, masa quarcului top este mult mai mare decât masa quarcului charm, iar masa quarcului charm este mult mai mare decât masa quarcului up. Toți quarcii interacționează între ei prin intermediul forței nucleare tari.

Figura 11.2 Familiile de particule subatomice, clasificate după tipurile de forțe cu care interacționează.

Materia obișnuită este formată din două tipuri de quarci: quarcul up (sarcină elementară, q = +2/3) și quarcul down (q = −1/3). Quarcii mai grei sunt instabili și se dezintegrează rapid în quarci mai ușori prin intermediul forței slabe. Quarcii se leagă împreună în grupuri de câte doi și trei, numite hadroni, prin intermediul forței tari. Hadronii care constau din doi quarci se numesc mezoni, iar cei care constau din trei quarci se numesc barioni. Exemple de mezoni includ pionul și kaonul, iar exemple de barioni includ familiarele proton și neutron. Un proton este format din doi quarci up și un quarc down (p = uud, q = +1), iar un neutron este format din un quarc up și doi quarci down (n = udd, q = 0). Proprietățile mezonilor și barionilor eșantion sunt prezentate în Tabelul 11.1. Quarcii participă la toate cele patru forțe fundamentale: tare, slabă, electromagnetică și gravitațională.

Cele două rânduri inferioare din figură (cu verde) conțin șase leptoni aranjați în două familii de particule: electron, muon și tau (e, μ, τ), și neutrino electronic, neutrino muonic și neutrino tau (υ_e, υ_μ, υ_τ). Muonul este de peste 200 de ori mai greu decât un electron, dar este similar în rest cu electronul. Tau este de aproximativ 3500 de ori mai greu decât electronul, dar este similar în rest cu muonul și electronul. Odată creați, muonul și tau se dezintegrează rapid în particule mai ușoare prin intermediul forței slabe. Leptonii nu participă la forța tare. Quarcii și leptonii vor fi discutați mai târziu în acest capitol. Leptonii participă la forțele slabe, electromagnetice și gravitaționale, dar nu participă la forța tare.

Bosonii (prezentați cu roșu) sunt purtătorii de forță ai fermionilor. În acest model, leptonii și quarcii interacționează între ei prin trimiterea și primirea de bosoni. De exemplu, interacțiunea coulombiană are loc atunci când două particule încărcate pozitiv trimit și primesc (schimbă) fotoni. Se spune că fotonii „poartă” forța dintre particulele încărcate. În mod similar, atracția dintre doi quarci dintr-un nucleu atomic are loc atunci când doi quarci trimit și primesc gluoni. Alte exemple includ bosonii W și Z (care poartă forța nucleară slabă) și gravitonii (care poartă forța gravitațională). Bosonul Higgs este o particulă specială: atunci când interacționează cu alte particule, le înzestrează nu cu forță, ci cu masă. Cu alte cuvinte, bosonul Higgs ajută la explicarea motivului pentru care particulele au masă. Aceste afirmații fac parte dintr-un model științific provizoriu, dar foarte productiv (Modelul Standard), discutat mai târziu.

Sursa: University Physics (OpenStax), acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere de Nicolae Sfetcu. © 2025 MultiMedia Publishing, Fizica, Vol. 1-3