Particule elementare

PARTICULE ELEMENTARE

Fizica particulelor elementare se ocupa cu particulele de baza din care se presupune a fi formata intreaga materie din Univers. In sens mai larg, in prezent, particulele elementare sunt considerate toate particulele care nu sunt atomi sau nuclee (cu exceptia protonului, care formeaza nucleul de hidrogen). De aceea, acestea mai sunt numite si particule subnucleare.

INTERACTIILE FUNDAMENTALE

Particulele lelemntare pot sa interactioneze atat intre ele cat si cu nucleele atomice ale mediului in care se afla si cu electronii ce graviteaza in jurul lor.

Pana in prezent se cunosc patru tipuri de interactii care intervin direct sau indirect in fenomenele din natura : tari, electromagnetice, slabe si gravitationale.

Interactiile tari sau nucleare asigura stabilitatea nucleului atomic. Aceste forte nucleare actioneaza pe distante foarte mici, sunt cele mai intense din cate se cunosc in natura de aici si denumirea. Fiecare nucleon al unui nucleu interactioneaza numai cu nucleonii din imediata sa vecinatate. Particulele care interactioneaza tare se numesc hadroni sunt formate din quarcuri care se impart in doua subclase : mezonii (pionii, kaonii) si barionii (protoniul, neutronul si hiperonii).

Intensitatea fortei tari de legatura care se exercita intre quarcuri trebuie sa fie extraordinar de mare, astfel ca intre protonii si neutronii strans uniti in nucleu ar putea sa actioneze o forta reziduala numita forta tare nucleara o ramasita de intensitate mare a fortei de atractie intre quarcuri. Lumea stintifica accepta ca forta tare a putut fi usor modelata matematic incadradu-se usor in modelul actual al structurii materiei numit model standard.

Interactiile electromagnetice au raza de actiune infinita, se exercita intre particulele incarcate electric, sunt de la 100 pana 1000 de ori mai mici fata de interactiile nucleare. Forta de interactie este data de legea lui Coulumb. Forta electromagnetica leaga electronii si nucleele pentru a forma atomii care desi sunt neutrii electric, interactioneaza printr-o forta electromagnetica reziduala, pentru a forma molecule.

Interactiile slabe. Masuratorile efectuate asupra dezintegrarii neutronului au aratat ca forta implicata in eveniment era extraordinar de slaba avand raza de actiune de 10 la puterea -24 metri. Se manifesta la dezintegrarea particulelor elemntare si a nucleelor propulsand produsele rezultate la viteze foarte mari. Unele asemanari intre interactiunile electromagnetice si cele slabe, au condus la schema unei unificari a celor doua forte, rezultand forta electro-slaba. Aceasta unificare se explica si prin faptul ca la distante foarte mici, adica la energii foarte mari, forta slaba este egala cu forta electromagnetica.

Interactiile gravitationale sunt cele mai slabe intercatiuni care se pot exercita fiind neglijabile pentru particolele izolate fata de celelalte interactiuni. Ele devin notabile pentru corpurile masive si mai ales in cazul corpurilor ceresti. In cazul particulelor elementare intensitatea acestor forte este de 10la puterea 38 de ori mai slaba pentru raza de la 10 la puterea -13 decat intensitatea fortelor tari. Au o raza de actiune teoretic infinita.

Clasificarea interactiilor fundamentale si marimile lor caracteristice, probabilitatile tipice de interactie interna (durata) si de interactie intre sisteme (sectiune eficace) este primul stadiu de intelegere asa cum rezulta din tabelul de mai jos, dar si o modalitate de sistematizare a particulelor elementare.

Particulele elementare, fara structura, care fac parte din modelul standard se impart in :

1. Particule mesager care     transmit interactiunile fundamentale : fotonul transmite interactiunile electromagnetice, bosonii vectoriali intermediari W si Z intermediaza interactiunile slabe, gluonii transmit interactiunile tari si gravitionul intermediaza intercatiunile gravitationale.
2. particulele sursa a campurilor de interactiune :
• Quarcurile : u(up), d(down), s(charm), t(top), b(beauty)
• Leptonii care nu participa la interactiuni tari : electronul, miuonul, tauonul si neutrinul electronic, miuonic si neutrinul sau; interactioneaza slab si electromagnetic.

Neucleonii proton si neutron desi sunt considerate particule elementare, nu sunt simple particule ci sisteme de quarcuri cu o structura interna complexa.

Particulele elementare care interactioneaza tare, electromagnetic si slab se numesc hadroni si se impart in doua subclase : mezonii formati din 2 quarcuri(pionii, kaonii) si barionii formati din 3 quarcuri (protonul, neutronul, hiperonii). Principalii hiperoni sunt : lambda, omega sigma.

CARACTERISTICILE COMUNE ALE PARTICULELOR ELEMENTARE

Particulele elementare se caracterizeaza prin urmatoarele marimi :

• Masa
• Timpul de viata
• Spinul (marimea fizica moment cinetic propriu = starea de rotatie a particulei in jurul axei proprii) care este cea mai importanta proprietate in cadrul mecanicii cuantice. Toate particulele elementare au spin.

Din punct de vedere al spinului particulele elementare se impart in doua categorii :

1. particule cu numar cuantic de spin intreg (bosonii = particule de interactie)
2. particule cu numar cuantic de spin semiintreg numite fermioni = particole sursa a campurilor de interactiune (quarcurile si leptonii)

Sarcina electrica apentru quarcuri este valoarea absoluta a sarcinii electronului sau altfel spus este sarcina electrica a protonului.

Hadronii care cuprind si barionii si mezonii sunt formati din quarcuri pentru care s-au definit doua caracteristici : culoare si aroma. Nu se pot pune in evidenta quarcuri liberi. Se presupune ca forsele de culoare care mentin quarcurile impreuna sunt dependente de un potential care creste cu distanta, caz esemanator acelui resort care tine legate impreuna doua bile. Cu cat se incearca mai mult separarea celor doua bile se intampina o rezistenta si mai mare. Intr-o reactie nucleara se conserva sarcina electrica si numarul de nucleoni. Pentru explicarea conservarii numarului de nucleoni s-a introdus o masura noua sarcina barionica. Fiecare particula este caracterizata prin sarcina electrica si sarcina barionica avand stabilite valori. Astfel neutronul are sarcina electrica 0 si sarcina barionica +1; protonul are sarcina electrica (elementara) +1 si sarcina barionica +1.

Din punct de vedere al interactiunilor nucleare neutronul si protonul au proprietati identice fiind stari ale aceleeasi particule - nucleonul. Deosebirile care apar intre neutron si proton mase putin diferite, sarcini diferite.

SCURT ISTORIC

Prima particula elementara descoperita a fost electronul in 1897 de catre J.J. Thomson (premiul Nobel 1906). Denumirea de electron a fost data de C.J. Stoney fizician si astronom irlandez. In 1919 E. Rutherford a descoperit protonul. In anul 1932 J. Chadwick a descoperit neutronul cu masa putin diferita de cea a protonului si neutru din punct de vedere electric constituind cealalta componenta a nucleului atomic.

Fotonul a fost introdus de M. Planck in anul 1900 ca o cuanta a cimpului electromagnetic pe care atomii o emit sau o absorb. Primele experimente reusite pentru detectarea fotonului au fost facute in anul 1921 de H. Bothe.

Neutrinul a fost prezis de W. Pauli in anul 1930; neutrinul electronic a fost descoperit abia in 1953. In anul 1962 s-a constatat experimental existenta a doua tipuri de neutrini, electronic si miuonic.