se susține adesea că grecii antici au fost primii care au identificat obiecte care nu au dimensiuni, dar sunt capabili să construiască lumea din jurul nostru prin interacțiunile lor. Și pe măsură ce suntem capabili să observăm lumea în detalii din ce în ce mai mici prin Microscoape cu putere crescândă, este firesc să ne întrebăm din ce sunt făcute aceste obiecte.

credem că am găsit câteva dintre aceste obiecte: particule subatomice, sau particule fundamentale, care neavând dimensiuni nu pot avea substructură. Acum căutăm să explicăm proprietățile acestor particule și să lucrăm pentru a arăta cum acestea pot fi folosite pentru a explica conținutul universului.

există două tipuri de particule fundamentale: particule de materie, dintre care unele se combină pentru a produce lumea despre noi, și particule de forță – dintre care unul, fotonul, este responsabil pentru radiațiile electromagnetice. Acestea sunt clasificate în modelul standard al fizicii particulelor, care teoretizează modul în care interacționează elementele de bază ale materiei, guvernate de forțe fundamentale. Particulele de materie sunt fermioni, în timp ce particulele de forță sunt bosoni.

particule de materie: cuarcii și leptonii

particulele de materie sunt împărțite în două grupe: cuarci și leptoni – există șase dintre acestea, fiecare cu un partener corespunzător.

leptonii sunt împărțiți în trei perechi. Fiecare pereche are o particulă elementară cu o sarcină și una fără sarcină – una mult mai ușoară și extrem de dificil de detectat. Cea mai ușoară dintre aceste perechi este electronul și electronul-neutrino.

electronul încărcat este responsabil pentru curenții electrici. Partenerul său neîncărcat, cunoscut sub numele de Electron-neutrino, este produs copios în soare și aceștia interacționează atât de slab cu împrejurimile lor încât trec nestingheriți prin pământ. Un milion dintre ei trec prin fiecare centimetru pătrat al corpului tău în fiecare secundă, zi și noapte.

Electron-neutrinii sunt produși în număr inimaginabil în timpul exploziilor supernovelor și aceste particule sunt cele care dispersează elementele produse de arderea nucleară în univers. Aceste elemente includ carbonul din care suntem făcuți, oxigenul pe care îl respirăm și aproape orice altceva de pe pământ. Prin urmare, în ciuda reticenței neutrinilor de a interacționa cu alte particule fundamentale, ele sunt vitale pentru existența noastră. Celelalte două perechi de neutrini (numite muon și muon neutrino, tau și tau neutrino) par a fi doar versiuni mai grele ale electronului.

deoarece materia normală nu conține aceste particule, poate părea că sunt o complicație inutilă. Cu toate acestea, în primele una până la zece secunde ale universului după Big Bang, au avut un rol crucial în stabilirea structurii universului în care trăim – cunoscută sub numele de epoca Leptonului.

cei șase quarci sunt, de asemenea, împărțiți în trei perechi cu nume capricioase: „sus „cu” JOS”,” farmec „cu” ciudat „și” sus „cu” JOS „(numit anterior” adevăr „și” frumusețe”, deși schimbat regretabil). Quarcii sus și jos se lipesc împreună pentru a forma protonii și neutronii care se află în centrul fiecărui atom. Din nou, doar cea mai ușoară pereche de cuarci se găsește în materia normală, perechile farmec/ciudat și sus/jos par să nu joace niciun rol în univers așa cum există acum, dar, la fel ca leptonii mai grei, au jucat un rol în primele momente ale universului și au ajutat la crearea unuia care este supus existenței noastre.

particule de forță

există șase particule de forță în modelul standard, care creează interacțiunile dintre particulele de materie. Ele sunt împărțite în patru forțe fundamentale: forțe gravitaționale, electromagnetice, puternice și slabe.

un foton este o particulă de lumină și este responsabil pentru câmpurile electrice și magnetice, create prin schimbul de fotoni de la un obiect încărcat la altul.

gluonul produce forța responsabilă pentru menținerea quarcilor împreună pentru a forma protoni și neutroni și pentru menținerea acestor protoni și neutroni împreună pentru a forma nuclee mai grele.

trei particule numite „w plus”, „w minus” și „Z zero” – denumiți bosoni vectori intermediari – sunt responsabili pentru procesul de dezintegrare radioactivă și pentru procesele din soare care îl fac să strălucească. Se crede că o a șasea particulă de forță, gravitonul, este responsabilă de gravitație, dar nu a fost încă observată.

Anti-materie: realitatea science fiction

știm, de asemenea, existența anti-materiei. Acesta este un concept mult iubit de scriitorii de science fiction, dar chiar există. Particulele anti-materie au fost observate frecvent. De exemplu, pozitronul (antiparticula electronului) este utilizat în medicină pentru a cartografia organele noastre interne folosind tomografie cu emisie de pozitroni (PET). Când o particulă își întâlnește antiparticulele, ele se anihilează reciproc și se produce o explozie de energie. Un scaner PET este utilizat pentru a detecta acest lucru.

fiecare dintre particulele de materie de mai sus are o particulă parteneră care are aceeași masă, dar sarcină electrică opusă, astfel încât putem dubla numărul de particule de materie (șase cuarci și șase leptoni) pentru a ajunge la un număr final de 24.

dăm cuarcilor de materie un număr de +1 și cuarcilor anti-materie o valoare de -1. Dacă adunăm numărul de cuarci de materie plus numărul de cuarci anti-materie, atunci obținem numărul net de cuarci din univers, acest lucru nu variază niciodată. Dacă avem suficientă energie, putem crea oricare dintre quarcurile de materie, atâta timp cât creăm un quark anti-materie în același timp. În primele momente ale universului, aceste particule au fost create continuu – acum ele sunt create doar în coliziunile razelor cosmice cu atmosfera planetelor și a stelelor.

celebrul boson Higgs

există o particulă finală care completează apelul nominal al particulelor în ceea ce este denumit modelul standard al fizicii particulelor descris până acum. Este Higgs, prezis de Peter Higgs acum 50 de ani, și a cărui descoperire la CERN în 2012 a dus la un Premiu Nobel pentru Higgs și Francois Englert.

bosonul Higgs este o particulă ciudată: este a doua cea mai grea dintre particulele modelului standard și rezistă unei explicații simple. Se spune adesea că este originea masei, ceea ce este adevărat, dar înșelător. Dă masă Quark-urilor, iar quark-urile alcătuiesc protonii și neutronii, dar doar 2% din masa protonilor și neutronilor este furnizată de quark-uri, iar restul este din energia din gluoni.

în acest moment am reprezentat toate particulele cerute de modelul standard: șase particule de forță, 24 de particule de materie și o particulă Higgs – un total de 31 de particule fundamentale. În ciuda a ceea ce știm despre ele, proprietățile lor nu au fost măsurate suficient de bine pentru a ne permite să spunem definitiv că aceste particule sunt tot ceea ce este necesar pentru a construi universul pe care îl vedem în jurul nostru și cu siguranță nu avem toate răspunsurile. Următoarea rulare a Large Hadron Collider ne va permite să ne perfecționăm măsurătorile unora dintre aceste proprietăți – dar există și altceva.

cu toate acestea, teoria este încă greșită

frumoasa teorie, modelul standard, a fost testată și re-testată de-a lungul a două decenii și mai mult; și nu am făcut încă o măsurare care să fie în contradicție cu predicțiile noastre. Dar știm că modelul standard trebuie să fie greșit. Când ne ciocnim două particule fundamentale împreună un număr de rezultate sunt posibile. Teoria noastră ne permite să calculăm probabilitatea ca un anumit rezultat să apară, dar la energii dincolo de care am atins până acum, prezice că unele dintre aceste rezultate apar cu o probabilitate mai mare de 100% – în mod clar prostii. fizicienii teoretici au depus mult efort în încercarea de a construi o teorie care oferă răspunsuri sensibile la toate energiile, oferind în același timp același răspuns ca modelul standard în fiecare circumstanță în care modelul standard a fost testat.

cea mai comună modificare implică faptul că există particule foarte grele nedescoperite. Faptul că sunt grele înseamnă că va fi nevoie de multă energie pentru a le produce. Proprietățile acestor particule suplimentare pot fi alese pentru a vă asigura că teoria rezultată oferă răspunsuri sensibile la toate energiile, dar nu au niciun efect asupra măsurătorilor care sunt atât de bine în acord cu modelul standard. numărul acestor particule nedescoperite și încă nevăzute depinde de teoria în care alegeți să credeți. Cea mai populară clasă a acestor teorii se numește teorii supersimetrice și implică faptul că toate particulele pe care le-am văzut au o contrapartidă mult mai grea. Cu toate acestea, dacă sunt prea grele, vor apărea probleme la energiile pe care le putem produce înainte ca aceste particule să fie găsite. Dar energiile care vor fi atinse în următoarea rundă a LHC sunt suficient de mari încât absența de particule noi va fi o lovitură pentru toate teoriile supersimetrice.