Materia si teoria modelului standard al particulelor elementare
La momentul nasterii Universului totul era extrem de fierbinte, iar lucrurile se întâmplau extrem de rapid. Pentru cel mai mic interval de timp despre care se poate vorbi, si anume 10 la puterea -43 dintr-o secunda, temperatura a fost de 10³² de grade C (cateva miliarde de grade), iar densitatea de-a dreptul de nedescris. La acel moment în timp exista o singura forta universala si un singur tip de particula elementara.
Dar situatia nu avea sa dureze. La finele primei clipite, gravitatia se retragea din uniunea de forte. La 10 la puterea -35 secunde, forta nucleara tare parasea uniunea si ea, ceea ce declansa expansiunea, evenimentul în urma caruia Universul crestea instantaneu de la dimensiuni subatomice pâna la un volum necunoscut. Aceasta expansiune si racirea ulterioara la 10²7 de grade permite aparitia celor 6 tipuri de quarcuri.
La momentul de timp 10–¹² secunde, si la o temperatura de 10¹5 grade, forta slaba si electromagnetismul se separa si ele, astfel ca deja cele patru forte pe care le cunoastem în prezent actioneaza independent. La acest moment toate cele 6 tipuri de leptoni, inclusiv electronul, sunt deja formate.
La 10 la–5 secunde, quarcurile „up” si „down” dadeau deja nastere protonilor si neutronilor. Toate quarcurile grele se dezintegrasera, la fel si toti leptonii grei, iar antimateria disparuse si ea. Iar la momentul în care Universul atingea vârsta de o secunda, protonii si neutronii deja începeau sa se uneasca dând nastere celor mai usoare nuclee atomice.
Ce este materia?
Materia este „substanta”, „lucrul” pe care îl poti tine în mâna sau macar vizualiza ca putând fi tinut în mâna, pe când forta este acel ceva ce face ca materia sa se deplaseze, sa se transforme sau sa reactioneze – o actiune. Aerul este materie, desi nu îl putem vedea. Acum sa ne gândim la o bucatica dintr-un anume material si sa ne imaginam ca o descompunem în componentele sale fundamentale, particulele elementare care intra în compozitia sa: la nivelul atomilor, si apoi mai jos, la cel al protonilor, neutronilor, si în final la cel al quarcurilor si electronilor. Daca mâinile noastre ar fi suficient de mici, am putea tine în palma si aceste particule fundamentale. Astfel ca aceste particule trec testul „tinutului-în-palma” si pot fi declarate ca intrând în categoria materiei.
Nivelul subatomic
Numai ca la nivel subatomic lucrurile devin neclare. Pe masura ce analizam materia pâna la cele mai mici componente subatomice, trebuie sa depasim anumite niveluri structurale care pot exista doar gratie fortelor care mentin aceste structuri laolalta. Protonul si electronul, de pilda, se atrag reciproc, iar acea forta de atractie este cea care îi tine laolalta în interiorul atomului.
Dar cine genereaza de fapt aceasta atractie? De unde stie electronul ca protonul este acolo si ce îl atrage catre acesta? Cum stie electronul sa nu fie atras de neutron? Raspunsul este ca electronul si protonul, fiecare în parte, „populeaza” spatiul din jurul lor cu nenumarate particule minuscule, virtuale, cu o existenta efemera.
Deoarece este neutru din punct de vedere electric, neutronul nu se comporta astfel. Aceste particule virtuale „traiesc” pentru un timp extrem de scurt si apoi dispar doar pentru a fi înlocuite cu altele „aruncate în lupta” de particula parinte. La aceasta scara, cantitatea minuscula de energie necesara aparitiei acestor particule virtuale poate fi generata din nimic. Numai ca, de asemeni, particulele virtuale trebuie sa si dispara aproape instantaneu, deoarece energia folosita pentru a le „da viata” poate exista doar pentru extrem de putin timp (cf. principiului lui Heisenberg).
Ne putem imagina aceste particule virtuale ca mingi legate de particula parinte cu un material elastic si revenind rapid în parinte la momentul disparitiei. Daca una sau mai multe dintre ele intersecteaza teritoriul unei alte particule virtuale, apartinând altei particule parinte, atunci ele pot sa interactioneze si chiar sa fie schimbate între particulele parinte. Un asemenea schimb de particule virtuale este resimtit de particulele parinte sub forma unei forte.
Aceste câmpuri de particule virtuale care înconjoara o particula parinte sunt create dupa tipare specifice si „populeaza” spatiul din jurul particulelor parinte într-o maniera bine definita. Aceste tipare de distributie au fost botezate de catre oamenii de stiinta, în mod sugestiv, câmpuri. Particulele virtuale poarta numele de mediatori ai fortelor sau particule-forta.
Cele 4 forte fundamentale
Oamenii de stiinta vorbesc despre existenta a 4 tipuri diferite de câmpuri de forta si toate functioneaza conform mecanismului descris anterior. Suntem cu toti obisnuiti cu 2 dintre aceste forte. Gravitatia si electromagnetismul se manifesta la scari observabile în viata cotidiana.
O a treia forta este cea care tine quarcurile laolalta în interiorul protonilor si neutronilor, iar un reziduu al acestei forte face ca protonii si neutronii sa stea uniti în interiorul nucleelor atomice. Aceasta forta poarta numele de forta tare, dar uneori este mentionata si cu numele de „forta culoare”. A patra forta este responsabila cu fenomenul radioactivitatii si poarta numele de forta slaba.
Particulele virtuale din compozitia acestor câmpuri, care sunt schimbate dând nastere fiecarei forte se numesc bosoni gauge. Fiecare dintre cele 4 forte poseda propriul boson gauge. În anumite limite, energia si masa pot fi create din aparentul vid spatio-temporal, dar doar pentru foarte scurte perioade de timp. Si cu cât aceste particule au mai multa energie si masa, cu atât mai scurt este timpul lor de viata. Bosonii gauge mai usori pot exista pentru perioade mai lungi de timp, putând în schimb sa se departeze mai mult de particula parinte înainte de a reveni. Altfel spus, distanta pe care o forta actioneaza este strâns legata de masa propriului boson gauge.
Fotonul si QED – electrodinamica cuantica
Fotonul este bosonul gauge al fortei electromagnetice, iar gravitonul este particula gauge a gravitatiei. Aceste doua particule au masa nula, astfel ca aceste doua forte fundamentale actioneaza pe distante infinite. Forta nucleara tare este mult mai complexa. Proprietatea de tip sarcina responsabila de aparitia interactiunii între quarcuri este de trei tipuri, spre deosebire de cele doar doua tipuri întâlnite în cazul sarcinii electrice, deci al electromagnetismului. Astfel ca, facând o analogie aproximativa cu cele 3 culori primare: rosu, verde si albastru, cele trei tipuri de sarcina care caracterizeaza interactiunea nucleara tare sunt de obicei denumite „sarcina culoare” si sunt reprezentate grafic folosind culorile rosu, verde si albastru.
Cromodinamica cuantica – QCD
Asa cum teoria sarcinilor electrice a fost botezata „electrodinamica cuantica” sau QED, numele pentru teoria quarcurilor a devenit „cromodinamica cuantica” sau QCD. Este interesant de remarcat ca toate particulele detectabile sunt „albe” din punct de vedere al sarcinii „culoare”, deci „culoarea” nu e niciodata vizibila si, din moment ce protonul si ceilalti barioni au toti în componenta câte trei quarcuri, „culorile” celor trei quarcuri trebuie sa fie câte una dintre cele trei: rosu, verde si albastru, care însumate „produc alb”. Mai mult, mezonii sunt întotdeauna formati dintr-o pereche quarc-antiquarc continând „combinatii de culori” precum rosu-antirosu, albastru-antialbastru ori verde-antiverde – de asemeni combinatii care „însumate” dau alb.
Forta nucleara tare trebuie sa aiba si ea propriul boson gauge si s-a dovedit ca exista 8 tipuri ale acestui boson, 8 gluoni diferiti care „poarta” forta culoare. Si spre deosebire de celelalte particule-forta, gluonii sunt caracterizati la rându-le de o proprietate culoare din care cauza interactioneaza unii cu altii. De fiecare data când doua quarcuri interactioneaza si schimba un gluon – ei îsi schimba sarcina culoare asociata. De asemeni, deoarece gluonii se atrag reciproc, este posibil sa vorbim despre o colectie de gluoni numita „glueball”.
Interactiunile caracteristice fortei slabe se fac simtite pe distante extrem de scurte, fiind eficace pe distante mult inferioare diametrului unui proton si acest aspect impune ca particulele gauge ale fortei slabe, numite W si Z, sa fie extrem de masive. Pe distante suficient de mici si la energii foarte mari, diferentele dintre cele patru forte devin insesizabile, deoarece particulele-forta asociate sunt, de asemeni, de nedeslusit.
Concluzie
Modelul standard combina teoriile QCD, QED si conceptiile despre interactiunile nucleare slabe. Acest model al particulelor fundamentale postuleaza existenta a 6 quarcuri, 6 leptoni si 12 bosoni gauge, precum si a antiparticulelor corespunzatoare. Dar numai quarcurile „up” si „down”, electronul si cel mai usor dintre neutrini exista din abundenta în Univers în prezent. Conform teoriei modelului standard întregul sistem al particulelor de materie si energie (cu exceptia gravitatiei) este descris cu ajutorul câtorva ecuatii simple si este organizat în jurul unui principiu esential cunoscut drept simetrie locala gauge.
