Despre quarci
Ce se află în interiorul unui atom? Ce se află în interiorul unui proton? Acestea sunt întrebări puse de fizicieni, care caută să înțeleagă materia la cel mai fundamental nivel.
Un atom conține un nucleu, alcătuit din protoni și neutroni, înconjurat de un nor de electroni. Experimentele care sondează mai adânc descoperă că electronii nu prezintă nicio structură, dar protonii și neutronii da. Aceștia conțin particule fundamentale numite quarci, care se atrag reciproc atât de puternic încât nu pot exista ca particule libere în condiții obișnuite. Cosmologii teoretizează că, în condițiile incredibile de după Big Bang, quarcii ar putea exista liber în ceea ce se numește plasmă de quark-gluon, o stare a materiei pe care unii fizicieni de particule încearcă să o creeze în laborator. (A se vedea Nuclei Knockdown)
Diagrama structurii quark a protonilor și neutronilor (diagramă realizată prin amabilitatea Brookhaven National Laboratory)
De unde știm că există quarci? Trebuie să deducem acest lucru din măsurători indirecte, deoarece nu putem observa un quarc liber. De exemplu, atunci când electronii de foarte mare energie se ciocnesc cu protoni, distribuția particulelor după coliziune arată că există particule minuscule în interiorul protonilor.
Quarkii au șase „arome” sugestive – up, down, strange, charmed, bottom și top – și pentru fiecare dintre acestea există un antiquark. (Vezi The Buzz about Antimatter)
Combinațiile de quarci up și down formează particulele nucleare – doi quarci up și unul down pentru proton și un quarc up și doi down pentru neutron, așa cum se arată în diagramă. Sarcinile quarcilor se combină pentru a da sarcina protonului și a neutronului, așa cum se arată mai jos și în tabel.
Proton = quarc up + quarc up + quarc down
Carga protonului:
+1 = 2/3 + 2/3 – 1/3
Neutron = quarc up + quarc down + quarc down
Carga neutronului:
0 = 2/3 -1/3 – 1/3 – 1/3
Un alt tip de particulă, mezonul, este compus din doi quarci sau, mai precis, un quarc și un anti-quark. De exemplu, pi-plus este format dintr-un quarc up și un quarc anti-down. Astfel, avem două tipuri de particule alcătuite din quarci – particule subatomice nucleare (protonul și neutronul) și mezoni. Ar putea fi mai multe?
Cercetări
Conform modelului standard, protonii, neutronii, pi-mesonii și alte particule înrudite sunt compuse din diverse combinații de quarci. În această teorie, este posibilă o particulă compusă din cinci quarci – pentaquarkul. Există o veche zicală în fizică care spune că „Tot ceea ce nu este interzis este necesar”. Poate cu acest lucru în minte, fizicienii au căutat particula cu cinci quarcuri timp de 30 de ani. În 1997, această căutare a primit o nouă direcție odată cu o predicție făcută de trei fizicieni ruși, conform căreia pentaquarkul format din doi quarci up, doi quarci down și un quarc anti-strange ar avea aproximativ 1.5 ori masa protonului și ar putea fi detectat cu tehnologia actuală a fizicii particulelor.
Producția unui pentaquark prin absorbția unei raze gamma (linie ondulată) de către un nucleu. Pentaquarkul se dezintegrează atât de rapid încât nu poate fi observat, astfel încât existența sa trebuie dedusă din observațiile razelor gamma și ale mezonilor K+ care sunt produși atunci când pentaquarkul se dezintegrează (imagine oferită de Physics News Graphics, Institutul American de Fizică).
Detectorul de mezon K de la Jefferson Lab (JLab), unul dintre laboratoarele în care a fost observat pentaquarkul (fotografie prin amabilitatea lui Greg Adams, Jefferson Lab).
Pentaquarkul este produs prin bombardarea nucleelor ușoare cu raze gamma de mare energie, așa cum se arată în diagramă. Pentaquarkul în sine nu poate fi detectat, deoarece trăiește doar aproximativ 10-20 de secunde înainte de a se dezintegra într-un neutron și un mezon K+ (a se vedea partea din dreapta sus a diagramei). Observațiile mezonului și ale razelor gamma au stabilit prezența pentaquarkului, iar trei experimente suplimentare au confirmat acest rezultat.
Acest nou tip de particulă exotică a provocat o mare agitație în lumea fizicii. Așa cum se întâmplă adesea, descoperirea a ridicat noi întrebări interesante, deoarece se pare că însăși teoria care i-a condus pe experimentaliști la descoperirea lor nu prezice corect toate proprietățile pentaquarkului. A apărut deja o teorie concurentă și, deoarece ambele teorii prezic particule încă nedescoperite și cu mase diferite, experimentele viitoare ar putea rezolva acest dezacord. În orice caz, este un moment interesant în fizica particulelor.
Links
Lawrence Berkeley National Lab
- The Particle Adventure
Stanford Linear Accelerator
- Particle Theory
The Exploratorium/CERN
- Modelul standard
Construcția detectorului de la Jefferson Lab (fotografie realizată prin amabilitatea Jlab/Departamentul de Energie).
Lasă un răspuns