fizika

ATOM

Elementrane čestice (Standardni model)

Vaši komentari

Milan Milosević mm@mmilan.com

Kada su fizičari počeli da govore o elementranim česticama i kada su izgradili dovoljno moćne akceleratore u kojima su tragali za tim česticama broj novih čestica počeo je brzo da raste. Činilo se da je svet postajao sve komplikovaniji. Pronađeno je više od 200 elementarnih čestica. Fizika je bila suočena sa velikim problemom klasifikacije ovoliko velikog broja čestica. Jednom prilikom Enriko Fermi (dobitnik Nobelove nagrade) na pitanje o nekoj čestici svom tadašnjem studentu, budućem Nobelovcu, Leonu Ledermanu odgovorio je: „Mladi čoveče, kada bih mogao da zapamtim imena svih tih čestica bio bih botaničar.“

Članak iz Astronomije br. 24

Pamćenje nikad nije bila osobina koja se mogla vezati za fizičare, oni su uvek pokušajavu da nešto razumeju i objasne. Zašto pamtiti toliko različitih stvari kada možda postoji jednostavniji način. Taj način je pronađen negde između 1970. i 1973. godine. Tada je nastao tzv. Standardni model elementranih čestica. Bila je to teorija koja je opisala sve do tada poznate elementrane čestice, a predvidela je i čestice koje su otkrivene tek kasnije, ali verovatno je najbitnije to što je ovaj model pokazao da priroda nije toliko komplikovana koliko je u početku izgledalo – broj fundamentalnih, osnovnih, čestica bio je mnogo manji od elementranih. Treba uočiti razliku između elementranih i fundamentalnih čestica. Pod fundamentalnim česticama podrazmevaju se čestice koje nemaju unutrašnju strukturu, to su čestice koje opisuje standardni model. Elementrane čestice su čestice koje su svuda oko nas, one su izgrađene od fundamentalnih čestica. Osim čestica standardni model opisao je i tri osnovne sile - jaku, slabu i elektromagnetnu. Ova teorija bila je u saglasna i kvantnoj mehanici i specijalnoj teoriji relativnosti.

Spin

Jedna od osnovnih osobina čestica je njihov spin. Spin je jedno od svojstava čestice u kvantnoj mehanici. Spin je nemoguće zamisliti, nemoguće je naći neku analogiju sa osobinama koje su poznate našem iskustvu. Nekad se kaže da spin označava rotaciju čestice, ali čudna je to rotacija. Teško je razumeti šta je spin, ali eksperimenti pokazuju da on postoji i da je to značajna osobina čestica. Vrednost spina izražava se pozitivnim i negativnim brojevima. Znak ispred broja označava smer spina (nekad se kaže spin gore ili spin dole).

Kliknite na ilustraciju
	Spin čestice - pokazuje simetriju čestice, tj. kako ona izgleda iz različitih pravaca. Spin 0 - tačka (ista iz svih pravaca), spin 1 - prva karta (različiti izgled iz svih pravaca), spin 2 - druga karta (nakon rotacije od 180 stepeni čestica izgleda isto), spin 1/2 - čestica mora da rotira za dva puna kruga da bi izgledala isto (ovo je teško zamisliti)

Na osnovu spina sve čestice mogu se podeliti na dve grupe: fermione i bozone. Bozoni su čestice sile. Imaju celobrojni spin (0, 1, 2…) i prenose interakcije (možda slikovitije rečeno, česticama materije prenose informaciju o sili). Fermioni grade materiju. Imaju imaju polu-celi spin (1/2). Još jedna bitna razlika između fermiona i bozona je to što za fermione važi Paulijev princip isključenja, a za bozone ne važi (Paulijev princip isključenja kaže da dve čestice ne mogu zaizimati isto kvantno stanje u istom vremenskom trenutku).

Kliknite na ilustraciju

Tri generacije materije

Fermioni obuhvataju dve grupe čestica, leptone i kvarkove. Svi fermioni su razvrstani u tri generacije. Svaka generacija fermiona sadrži po jedan par leptona i jedan par kvarkova. Generacije fermiona prve generacije imaju najmanju masu dok fermioni treće generacije imaju najveću masu.

Leptoni 

Leptoni obuhvataju tri naelektrisane čestice i tri čestice bez naelektrisanja. Naelektrisani leptoni su elektron, mion i tauon. Njihovo naelektrisanje je jedinično negativno, a spin im iznosi ½. Međusobno se razlikuju po masi. Elektron je najlakši (0.511MeV), muon nešto masivniji, a tau najmasivniji (1777MeV).

Svakom od ova tri leptona odgovara jedan lepton vrlo male mase, bez naelektrisanja. Ti leptoni nazivaju se neutrini. Neutrini su vrlo čudne čestice. Oni gotovo da ne interaguju i skoro da ne osećaju delovanje sila. Postoje tri vrste neutrina: elektronski, mionski i tau-neutrino. Kao i kod naelektrisanih leptona razlika između ovih neutrina je u masi, najlakši je elektronski a najmasivniji tau neutrino.

Leptoni II i III generacije nisu stabilni i rasapdaju se na lakše leptone. U raspadu naelektrisanih leptona jedan proizvod je uvek neutrino iste generacije kao i raspadnuti lepton. Kod neutrina uočena je pojava „oscilovanja“ tj. prelaska neutrina jedne u neutrino druge generacije.

Svaki od ovih leptona ima i svoju antičesticu. Antičestica naelektrisanih čestica je u svemu ista čestici osim u znaku naelektrisanja. Tako su tri leptona naelektrisana negativno, a njihove antičestice pozitivno, istom količinom naelektrisanja. Kod nenaelektrisanih leptona (neutrina) sitiuacija je malo drugačija. Kaže se da su neutrini sami sebi antičestice. Neutrino (bilo koji od tri pomenuta) i odgovarajući antineutrini razlikuju se u znaku spina.

Kvarkovi

Kliknite na ilustraciju

Kvarkovi su čestice od kojih su izgrađeni protoni, neutroni i mnoge druge čestice. Ima ih šest, razvrstanih u tri generacije. Prvoj generaciji pripadaju kvark gore (up) i dole (down), drugoj šarm (charm) i čudo (strange), a dok poslednjoj trećoj generaciji pripadaju – vrh (top) i dno (bottom). Ime „kvark“ pozajmljeno je iz knjige Fineganovo bdenje (Džejmsa Džojsa). Ova čudna imena kvarkova nemaju nikakav fizički smisao već su izabrana proizvoljno, zbog lakšeg pamćenja.

Kvarkovi, sa ovim zanimljivim imenima, su vrlo čudne čestice. Nikad nisu sami već se uvek javljaju sa drugim kvarkovima i tako grade svet oko nas. Materija koja nas okružuje izgrađena je od kvarkova (i leptona) prve generacije. U prirodi sve teži minimumu potencijalne energije pa se masivni kvarkovi brzo raspadaju na lakše. Zbog toga čestice izgrađene od kvarkova II i III generacije žive vrlo kratko. Za razliku od leptona, koji su interagovali svim silama osim jakom, kvarkovi interaguju preko sve četiri fundamentalne sile.

Svi se verovatno dobro sećaju fizike koja se uči u školi, i nastavnika i profesora koji ponavljaju da je najmanje moguće naelektrisanje ono koje nosi elektron, naelektrisanje e, ali nije baš tako. Naelektrisanje kvarkova je manje, ono ima vrednost 1 ili 2 trećine naelektrisanja elektrona.

Kliknite na ilustraciju
	Zamislite da protoni i neutroni (jezgro atoma) na ovoj slici imaju prečnik od 10 cm. tada bi kvarkovi i elektroni bili manji od 0,1 miimetar u prečniku, a atom bi u tom slučaju bio širok 10 kilometara

Detektovanje kvarkova prilično je težak posao jer oni ne postoje sami, uvek su u sastavu neke druge masivnije čestice, sad drugim kvarkovima. Jedini način za detekciju je primenom nekih posrednih metoda i proverom da li se ti rezultati slažu sa predviđanjima teorije. Samo pet godina nakon što su teoretičari predvideli postojanje kvarka, stigla je i prva eksperimentalna potvrda (1969. god). Poslednji kvark, top kvark, predstavljao je veliki izazov za experimentalne fizičare. Za njim se dugo tragalo i detektovan je u Fermilabu 1995. godine.

Kao i druge čestice i kvarkovi imaju svoje antičestice, koje se razlikuko po spinu i naelektrisanju.

Kvarkovi su gradivne jedinice koje grade veliki broj čestica, koje se nazivaju hadroni. Hadroni koji se sastoje od tri kvarka nazivaju se barioni. U barione spadaju i dobro pozati proton (uud - kvarkovi)  i neutron (udd). Mezoni su hadroni koji su izgrađeni od jednog kvarka i jednog antikvarka. Antičestice hadrona, npr. antiproton i antineutron sastoje se od antikvarkova. Mezoni su nestabilne čestice koje kratko žive, red veličine 10^-20 sekundi.

Jedan od bariona koji je zbunio fizičare i bacio malu sumnju na standadni model bio je barion koja se sastoji od tri up kvarka (uuu). Problem koji se javio bio je posledica Paulijevog principa isključenja. Prema poznatim zakonima fizike dva kvarka morala su da imaju isti spin, a to Paulijev princip nije dozvoljavao. Ono što su fizičari do tada znali govorilo je da ova čestica ne može da postoji, ali ona je ipak postojala. Rešenje ove misterije brzo je nađeno, utvrđeno je da kvarkovi poseduju, pored električnog, još jednu vrstu naboja – boju. Ovde boja nema pravo značenje, kvarkovi se ne razlikuju po boji (previše su mali da bi uopšte i imali neku boju) već je taj termin izabran slično kao i njihova imena, da bi se lakše pamtio. Kvarkovi se javljaju u tri boje. Kao što je naelektrisanje povezano sa elektromagnetnom silom, naboj boje nalazi se u vezi sa jakom silom. Uvođenje boje rešilo je problem  čestice vrlo jednostavno – kvarkovi od kojih je ova čestica napravljena imaju različitu boju, važenje Paulijevog principa nije narušeno.

Sile

Već smo videli da standardni model, osim kvarkova i leptona, obuhvata i fundamentalne sile i čestice koje prenose fundamentalne interakcije. Najpoznatija od svih sila je elektromagnetnta. Ona deluje između svih naelektrisanih tela, a čestica koja je prenosnik ove interakcije je foton. Foton je čestica koja nema masu mirovanja, nema naelektrisanje i ima spin 1.

Sledeća sila je slaba sila. Ova sila odgovorna je za neke procese na nivou atoma, najpoznatiji je beta raspad. Kao što je foton prenosnik elektromagnetne sile, tako su W i Z bozoni prenosnici slabe sile. Godine 1979. Sheldon Glashow, Abdus Salam i Steven Weinberg dobili su Nobelovu nagradu za fiziku jer su pokazali da elektromagnetna i slaba sila postaju jedna sila na dovoljno velikim energijama. Ta jedinstvena sila nazvana je elektroslaba. Bila je ovo prva potvrda kosmološke ideje da su sve četiri sile nekada bile jedna i da je tek kasnije, tokom evolucije svemira došlo do njihovog odvajanja.

Jaka sila je, kako samo ime kaže, najača, ali i najkraćeg dejstva. Ona deluje samo na rastojanjima dimenzija atomskog jezgra. Ova sila odgovorna je za stabilnost stabilnost atomskog jezgra i čestica koje to jezgro grade. Prenosioci ove sile su gluoni koji su otkriveni 1979. godine, u akcleratoru PETRA (DESY, Hamburg, Nemačka). Karakteristika ove sile je da sa povećanjem rastojanja njen intenzitet postaje veći )obrnuto ostalim silama). Delovanje ove sile ostvaruje se tako što kvarkovi razmenjuju gluone. Jaka sila, koja se nekad naziva sila boje, deluje između pojedinačnih kvarkova (različitih boja) i omogućava opstanak protona i neutrona. Jaka sila, ali manjeg intenziteta, deluje i između kvarkova koji pripadaju različitim protonima ili neutronima. Ova sila, koja se naziva nuklearna, odgovorna je za stabilnost atomskih jezgara.

Ostala je još jedna, svima možda najpoznatija sila. Pogažate da je reč o gravitaciji, ali ona se ne uklapa u standardni model. Gravitacija je opisana opštom teorijom relativnosti, i jedan od najvećih izazova za teorijsku fiziku je da pronađu teoriju koja će „pomiriti“ relativnost i standardni model.

Nekoliko decenija nakon teorijskog postavljanja standadrnog modela eksperimenti su potvrdili skoro sva predviđanja ove teorije. Ostalo je još samo jedno, potraga za Božijom česticom (kako je nazvao Lion Lederman, u istoimenoj knjizi). Reč je o Higsovom bozonu, čestici koja treba da da odgovor na jednostavno pitanje „zašto postoji masa“. Standardni model predviđa postojanje ove čestice ali ona još uvek nije nađena ali njeno otkriće se očekuje. Fizičari se nadaju da će akcelerator LHC, koji treba d apočne sa radom naredne godine u Ženevi, omogućiti detekciju ove čestice. Time bi standadni model bio u potpunosti potvrđen.

… Ili mi tako mislim. Prošlo je oko 2500 godina od prvih ideja o atomo. Atom je pretrpeo mnogo pormena. Od ideje o 4 elementa stigli smo do apstraktnih pojmova i 12 čestica (plus isto toliko antičestictica, i sve to ofarbano u tri boje). Ovo je trenutno najbolja teorija koja opisuje svet oko nas, ali fizičari znaju da tu sigurno nije kraj. Ovo jeste kraj naše priče o istoriji atoma, ali ovo nije kraj fizike čestice, niko ne može ni d apretpostavi šta donose naredne godine i decenije…