Fizica particulelor

Large Hadron Collider (LHC) - Detectorul ATLAS. — Credit: modificarea lucrării lui Maximilien Brice, CERN

(Large Hadron Collider (LHC) este situat la peste 150 de metri sub pământ, la granița dintre Elveția și Franța, lângă Geneva, Elveția. LHC este cea mai puternică mașină dezvoltată vreodată pentru a ne testa înțelegerea interacțiunilor cu particulele elementare. Aici este prezentat detectorul ATLAS, care ajută la identificarea de noi particule formate în coliziuni.)

Fizica particulelor se ocupă cu cele mai elementare blocuri de bază ale materiei și cu forțele care le țin împreună. Cosmologia este studiul stelelor, galaxiilor și structurilor galactice care populează universul nostru, precum și istoria lor trecută și evoluția viitoare.

Aceste două domenii ale fizicii nu sunt atât de deconectate pe cât ai putea crede. Studiul particulelor elementare necesită energii enorme pentru a produce particule izolate, implicând unele dintre cele mai mari mașini pe care oamenii le-au construit vreodată. Dar energii atât de înalte au fost prezente în primele etape ale universului, iar universul pe care îl vedem astăzi în jurul nostru a fost modelat parțial de natura și interacțiunile particulelor elementare create atunci. Rețineți că fizica particulelor și cosmologia sunt ambele domenii de cercetare intensă actuală, supuse multor speculații din partea fizicienilor (precum și a scriitorilor de science-fiction).

Fizica particulelor elementare este studiul particulelor fundamentale și al interacțiunilor lor în natură. Cei care studiază fizica particulelor elementare — fizicienii particulelor — diferă de alți fizicieni prin scara sistemelor pe care le studiază. Un fizician al particulelor nu se mulțumește să studieze lumea microscopică a celulelor, moleculelor, atomilor sau chiar nucleelor atomice. Ei sunt interesați de procesele fizice care au loc la scări chiar mai mici decât nucleele atomice. În același timp, ei implică cele mai profunde mistere din natură: Cum a început universul? Ce explică modelul maselor din univers? De ce există mai multă materie decât antimaterie în univers? De ce sunt conservate energia și impulsul? Cum va evolua universul?

Domeniul fizicii particulelor a fost dezvoltat prin observații care nu au putut fi explicate inițial, dar care i-au determinat pe cercetători să-și aprofundeze investigațiile și să elaboreze concluzii care au condus la o întreagă subdisciplină a fizicii, cu aplicații substanțiale în știință și industrie. Descoperirea particulelor elementare s-a datorat în parte dezvoltării și, adesea, aplicării ingenioase a noilor tehnologii. După cum s-a discutat mai devreme, experimentele lui Ernest Rutherford folosind plăci fotografice au fost, în esență, incursiunile inițiale în fizica particulelor. Fizicianul austriac Marietta Blau a început să avanseze procesul de placă fotografică, cunoscut sub numele de emulsie nucleară, prin încorporarea de noi materiale și prin crearea de noi tehnici de desfășurare a experimentelor. Ea a fost capabilă să detecteze urmele de protoni și să determine energia neutronilor și a protonilor. Prin plasarea plăcilor special pregătite pe vârful unui munte pentru a capta razele cosmice, ea a înregistrat primele dovezi ale dezintegrării nucleare. Debendra Mohan Bose, Bibha Chowdury, Cecil Powell și alții s-au bazat pe aceste cunoștințe și au descoperit noi particule, cum ar fi mezonul. Aceste eforturi au dus la o cunoaștere din ce în ce mai profundă a celor mai mici particule de materie, a aplicațiilor lor și a forțelor din atomi.

Forțe fundamentale

Un pas important pentru a răspunde la aceste întrebări este înțelegerea particulelor și a interacțiunilor lor. Interacțiunile particulelor sunt exprimate în termeni a patru forțe fundamentale. În ordinea descrescătoare a puterii, aceste forțe sunt forța nucleară puternică, forța electromagnetică, forța nucleară slabă și forța gravitațională.

Forța nucleară puternică. Forța nucleară puternică este o forță de atracție foarte puternică, care acționează doar pe distanțe foarte scurte (aproximativ 10⁻¹⁵ m). Forța nucleară puternică este responsabilă pentru legarea protonilor și neutronilor împreună în nucleele atomice. Nu toate particulele participă la forța nucleară puternică; de exemplu, electronii și neutrinii nu sunt afectați de aceasta. După cum sugerează și numele, această forță este mult mai puternică decât celelalte forțe.
Forța electromagnetică. Forța electromagnetică poate acționa pe distanțe foarte mari (are o gamă infinită) dar este doar 1/100 din puterea forței nucleare puternice. Se spune că particulele care interacționează prin această forță au „sarcină”. În teoria clasică a electricității statice (legea lui Coulomb), forța electrică variază ca produs al sarcinilor particulelor care interacționează și ca pătratul invers al distanțelor dintre ele. Spre deosebire de forța nucleară puternică, forța electromagnetică poate fi atractivă sau respingătoare (sarcinile opuse se atrag și sarcinile asemănătoare se resping). Forța magnetică depinde într-un mod mai complicat de sarcini și mișcările acestora. Unificarea forței electrice și magnetice într-o singură forță electromagnetică (o realizare a lui James Clerk Maxwell) este una dintre cele mai mari realizări intelectuale ale secolului al XIX-lea. Această forță este esențială pentru modelele științifice ale structurii atomice și ale legăturilor moleculare.
Forța nucleară slabă. Forța nucleară slabă acționează pe distanțe foarte scurte (10^-15 m) și, după cum sugerează și numele, este foarte slabă. Este de aproximativ 10^-6 puterea forței nucleare puternice. Această forță se manifestă mai ales în dezintegrarea particulelor elementare și a interacțiunilor cu neutrini. De exemplu, neutronul se poate dezintegra la un proton, un electron și un neutrino electronic prin forța slabă. Forța slabă este de o importanță vitală, deoarece este esențială pentru înțelegerea nucleosintezei stelare – procesul care creează noi nuclee atomice în nucleele stelelor.
Forța gravitațională. La fel ca forța electromagnetică, forța gravitațională poate acționa pe distanțe infinit de mari; cu toate acestea, este doar 10⁻³⁸ la fel de puternică precum forța nucleară puternică. În teoria clasică a gravitației a lui Newton, forța gravitației variază ca produs dintre masele particulelor care interacționează și ca pătratul invers al distanței dintre ele. Această forță este o forță de atracție care acționează între toate particulele cu masă. În teoriile moderne ale gravitației, acest comportament al forței este considerat un caz special pentru interacțiunile macroscopice cu energie scăzută. În comparație cu celelalte forțe ale naturii, gravitația este de departe cea mai slabă.

Forțele fundamentale este posibil să nu fie cu adevărat „fundamentale”, ele pot fi de fapt aspecte diferite ale aceleiași forțe. Așa cum forțele electrice și magnetice au fost unificate într-o forță electromagnetică, fizicienii în anii 1970 au unificat forța electromagnetică cu forța nucleară slabă într-o forță electroslabă. Orice teorie științifică încercând să unifice forța electroslabă și forța nucleară puternică se numește o teorie mare unificată, iar orice teorie care încearcă să unifice toate cele patru forțe este numită o teorie a tuturor.