PUBLICAȚIILE NOASTRE:

Clubul de ştiinţă

Un grafic cât o mie de explicaţii. Particulele liliputane ale materiei

Autor: | miercuri, 07 septembrie 2011 | 137 Comentarii | 4191 Vizualizari
ATLAScalorimeterinstallation
O fotografie face cât o mie de cuvinte. Tot astfel, un excelent grafic realizat de experimentul ATLAS de la acceleratorul Large Hadron Collider (LHC) de la Geneva şi prezentat la conferinţa internaţională Lepton Photon 2011, ce are loc acum în India, ne oferă o incursiune fascinantă în lumea celor mai mici "cărămizi" ale materiei - particulele elementare.

Graficul prezintă pe orizontală diferite particule elementare sau grupuri de particule elementare, în timp ce pe verticală prezintă probabilitatea ca aceste particule sau grupuri de particule să fie create la acceleratorul Large Hadron Collider (pe scurt, LHC) de la Laboratorul European de Fizica Particulelor (CERN).

Cu portocaliu este reprezentată predicţia teoriei, iar cu pătratul negru şi cercul alb măsurătorile precise realizate de experimentul ATLAS de la LHC, care a făcut public graficul.
Acceleratorul LHC realizează ciocniri frontale de fascicule de protoni acceleraţi până la viteze unde le lipsesc doar 12 metri pe secundă până la viteza luminii, care este de aproape 300 de milioane de metri pe secundă!

Această energie de mişcare a protonilor este de 3.500 de ori mai mare decât energia pe care o are un singur proton în repaus, adică energia dată de faptul ca un proton există şi are masă. După cum ştim, energia şi masa sunt echivalente şi se tranformă uşor una într-alta, conform legii date de Einstein în 1905, conform căreia energia este egală cu masa ori viteza luminii la pătrat.

Cum protonii se ciocnesc doi câte doi, există o energie totală disponibilă de 7.000 de ori energia de repaus a unui proton.

Protonii sunt particule subatomice, dar compuse. Ei nu sunt particule elementare, ci sunt compuşi la rândul lor din alte particule elementare, denumite quarcuri sau gluoni. Există trei quarcuri principale în proton, două de un tip (denumit "up", adică în traducere "sus") şi unul de un alt tip (denumit "down", adică în traducere "jos").

Aceste quarcuri stau împreună în proton creând o particulă subatomică stabilă pentru că sunt ţinute împreună de una din cele patru forţe sau interacţii elementare, anume forţa tare. Fiecarei forţe elementare îi corespunde unul sau mai multe tipuri de particule elementare care acţionează ca şi "mesageri" sau "cărăuşi" ai forţei.

Forţei tari îi corespund opt tipuri diferite de "gluoni", particule elementare al căror nume vine de la verbul englezesc "to glue", adică în traducere "a lipi". Căci tocmai aceasta fac gluonii, lipesc quarcurile intre ele pentru a putea forma protonii, şi de altfel şi neutronii, din care atomii sunt la rândul lor formaţi. Similar, această forţă lipeşte protonii şi neutronii în nucleele atomice, permiţându-le acestora să existe. De aceea, forţei tari i se mai spune şi forţa nucleară tare.

Aşadar, protonii sunt formaţi din trei quarcuri şi mulţi gluoni. Dar aceasta nu este tot. Există de fapt în protoni şi alte tipuri de quarcuri, căci în total există şase tipuri de quarcuri. Ba mai mult, există în proton şi antiquarcuri, adică quarcuri de antimaterie. Perechi de quarc-antiquark apar mereu pentru o durată scurtă, dispărând apoi şi reapărând imediat. Sunt ceea ce se numeşte în lumea subatomică particule virtuale.

Ei bine, atunci când doi protoni se ciocnesc, de fapt doar o particulă elementară din primul proton se ciocneşte cu o particulă elementară din cel de-al doilea proton, iar restul particulelelor elementare din ambii protoni rămân doar spectatori la interacţiune.

De aceea, numai o parte din energia totală disponibilă echivalentă a de 7.000 de ori masa unui proton (căci masa şi energia sunt echivalente) se transformă în masa unor particule elementare noi. Cu cât energia totată de coliziune este mai mare, cu atât pot fi produse particule mai masive şi astfel creşte şansa de a fi descoperite particule noi.

Graficul ne arată pe axa orizontală particula W, care are o masă de 86 de ori masa unui proton, particula Z, de 98 de ori masa unui proton, quarcul top, care este de 185 de ori mai masiv ca un proton şi fotonul, cu masa strict zero. Observăm şi combinaţii de astfel de particule elementare.

Dintre toate particulele, suntem familiari cu fotonul, particula elementară care este cărăuşul forţei electromagnetice, una din cele patru forţe elementare. Observăm apoi particulele W şi Z, care sunt particulele mesager pentru a treia forţă elementară, anume forţa slabă. Particula W este de fapt de două tipuri, unul încărcat electric pozitiv şi unul încărcat electric negativ.

Particula W este chiar visul de secole al alchimiştilor! Este singura particulă elementară care atunci când este transferată de la o particulă la alta schimbă particula iniţială în altă particulă finală! Este particula care preschimbă o particulă în alta!

Ceea ce operează în centralele nucleare şi în interiorul Pământului când atomi de uraniu se transformă în atomi de altă natură nu este decât un exemplu al forţei slabe, când un boson W transformă un quarc down dintr-un neutron din nucleu într-un quarc up, transformând astfel acel neutron într-un proton şi prin urmare un element chimic în alt element chimic! Tocmai de aceea, forţei slabe i se mai spune şi forţa nucleară slabă.

Particula Z nu schimbă o particulă elementară în alta pentru că este neutră din punct de vedere electric, însă este tot un mesager al forţei slabe. Însă tocmai asemănarea în sarcină electrică cu fotonul, cărăuşul forţei electromagnetice, care este tot neutru, este cea care a permis teoreticienilor de a crea un model matematic în care cele două forţe elementare să fie descrise simultan.

S-a creat astfel în anii 1960 teoria electroslabă, teorie care descrie forţa electromagnetică şi forţa slabă ca pe două aspecte diferite ale unei aceleiaşi forţe, tot aşa cum în 1865 James Maxwell crea teoria electromagnetică care descria forţa electrică şi forţa magnetică ca două aspecte diferite ale unei aceleaşi forţe.

Astfel, fizicienii cred la nici o fracţiune de secundă după începutul Universului într-un Big Bang, forţa electroslabă s-a "rupt" în două forţe diferite, forta electromagnetică şi forţa slabă, iar diferenţa între ele a fost dată de faptul că o particulă a început să se comporte diferit şi să se transforme în două tipuri de particule: pe de o parte fotonul, care are masă zero, iar pe de alta, bosonul Z, care are o masă foarte mare, de 98 de ori masa unui proton, adică la fel de masivă ca un atom masiv!

Ce a dat masă bosonul Z pentru a îl face diferit de foton este marele mister al fizicii particulele elementare. Cea mai bună presupunere este bosonul Higgs, particulă ipotetică prezisă în 1964 şi care nu a fost nici confirmată, nici infirmată experimental, dar teritoriul căreia a fost redus considerabil de experimentele de la LHC anul acesta, precum am arătat într-un articol recent.

Această teorie electroslabă împreună cu descrierea independentă a teoriei forţei tari formează ceea ce numit Modelul Standard al fizicii particulelor şi interacţiilor între ele, adică teoria curentă a tărâmului subatomic. De jumătate de secol, experimente tot şi tot mai precise au confirmat experimental predicţiile numerice ale teoriei.

Fizicienii şi doresc să găsească rezultate experimentale care contrazic teoria, căci atunci ar fi un semn de descoperire a ceva nou în fizică! Şi cum ceva nou nu a fost găsit de jumătate de secol, ar fi vorba de o revoluţie în fizica particulelor! Deocamdată însă, Modelul Standard rezista eroic chiar şi celor mai recente experimente, la care face sumar minunatul grafic de faţă.

Graficul prezintă aşadar, foarte concis, probabilitatea ca anumite particule elementare să fie produse la acceleratorul LHC, singure sau împreună cu alte particule elementare. Pentru fiecare caz, vedem două lucruri.

În primul rând, vedem cu portocaliu valoarea prezisă numeric de teorie, adică de Modelul Standard. Vedem ca valoarea nu este doar o valoare, o linie, ci un interval de valori reprezentate de o bandă pe verticală. Banda cuprinde o plajă de valori foarte apropiate, adică ia în calcul că teoria prezice o valoare şi o incertitudine asupra ei, precum este mereu cazul în fizică.

În al doilea rând, vedem ori un patrat negru, ori un cerc alb. Acestea reprezintă măsurători reale efectuate de cei 3000 de cercetători ai experimentului ATLAS (între care, merită spus, se află şi cercetători din România, de la Măgurele).

Primele patru cazuri de la stânga la dreapta, cu pătrat negru, reprezintă măsurători realizate în anul 2010 folosind o anumită cantitate de date. Celelalte cazuri, din dreapta, cu cerc alb, reprezintă măsurători realizate în 2011 folosind o cantitate de date între 20 şi 30 de ori mai mare! Această arată cât de bine a funcţionat acceleratorul LHC anul acesta. Şi aceste măsurători reale au o eroare de măsurare reprezentată de barele verticale.

Avem aşadar într-un grafic, clar, situaţia la zi a Modelului Standard în bătălia sa cu experimentele. Este măcar într-un caz predicţia teoretică în dezacord cu măsurătoarea, în limita erorilor teoretice şi experimentale, ambele arătate pe grafic? Desigur că nu. Vedem un acord perfect între teorie şi experiment în fiecare caz în parte! Modelul Standard a rezistat celor mai recente măsurători de la experimentul ATLAS de la LHC şi este mai solid ca niciodată!

Mai zăbovim puţin asupra graficului şi obsevăm câteva lucruri interesante. Mai întâi, că fenomenul cel mai puţin probabil din cele de pe grafic, perechea de particule Z, de la extrema dreaptă, este de cam 50.000 de ori mai puţin probabil decât producerea unei particule W singură, la extrema stângă.

Ei bine, bosonul Higgs, dacă există, ar fi produs cu o probabilitate care se află undeva între cele două din dreapta, WZ şi ZZ. Vedem aşadar cum şi bosonul Higgs ar fi un fenomen foarte rar şi înţelegem mai bine atunci de ce este aşa de greu de descoperit.

Mai observăm şi că pe măsură ce mergem pe grafic de la stânga la dreapta, probabilitatea de a fi produse particulele scade. Şi vedem cum pentru acestea eroarea de măsurare este cu mult mai mare decât eroarea pentru predicţia teoretică.

Aceasta tocmai pentru că aceste fenomene sunt rare şi atunci puţine evenimente de acest tip sunt colectate. În fizică, aceasta poartă numele de eroare statistică, care este încă mare. Ceea ce înseamnă că pe măsură ce acceleratorul LHC va colecta noi şi noi date de coliziuni frontale între protoni, acceleratoarele ATLAS şi CMS vor colecta tot mai multe perechi de particule şi atunci precizia de măsurarare va creşte, adică eroarea statistică va scădea. În fizică mai există un tip de eroare de măsurare, care nu scade oricât de multe date ai colecta. Poartă numele de eroarea sistematică. Când eroarea sistematică este mai mare decât eroarea statistică, înseamnă că oricât de multe date noi ai adăuga, măsurătoarea ta nu va deveni mai bună. Căci eroarea statistică va fi mai mică, dar e oricum deja mai mică decât eroarea sistematică.

Acesta este cazul celor trei măsurători din stânga şi de aceea nu a fost nevoie ca măsurătorile din 2010 să fie actualizate cu datele din 2011 care erau de 20-30 de ori mai numeroase. Eroarea de măsurare ar fi rămas la fel.

Fizicienii lucrează aşadar pe două fronturi: colectând mereu mai multe date, pentru a reduce cât de mult posibil eroarea statistică, apoi ameliorând mereu detaliile analizei de date, pentru a reduce eroarea sistematică. Astlfe, se încearcă ca eroarea totală să fie cât mai mică. Abia atunci vom avea o şansă mai mare să vedem o discrepanţă între experiment şi teorie, dacă într-adevar aceasta ar exista.

Bătălia pentru testarea continuă a Modelului Standard continuă. Fizicienii speră ca aceasta cea mai precisă teorie construită vreodată de umanitate să cadă totuşi, adică să se descopere ori  ceva nou pe care teorie nu îl prezice, sau ceva pe care teoria îl prezice, dar să se adeverească ca probabilitatea de a fi produs, ceea ce este reprezentat pe grafic, să fie mai mare sau mai mică decât prezice teoria. Pe scurt, ei speră ca teoria să crape undeva, pe măsură ce precizia măsurătorilor se ameliorează, datorită excelentei munci a cercetătorilor de la Large Hadron Collider şi de la experimentele sale.

Adrian Buzatu, doctor în fizica particulelor elementare, McGill University, Montreal, Canada
Tag-uri:




SPUNE-TI PAREREAAcum poti comenta si prin intermediul contului de facebook. DETALII >>

Libertatea

RTV

B1

Ziare.com

Unica

Capital

Fanatik

Alte articole EVZ pe aceeasi tema

spune-ti parerea Acum poti comenta si prin intermediul contului de facebook. DETALII >>





Pentru a instaura un cadru civilizat de discuţii, de eliminare a "postacilor" de partid sau a celor plătiţi ca să blocheze un articol civilizat, am adoptat următoarele soluţii, în privinţa comentariilor:
  • 1) Moderarea comentariilor lăsate în formularul de la finalul articolelor o dată la o oră – în acest caz, comentariile nu vor apărea instant.
  • 2) Postarea instant a comentariilor lăsate prin intermediul contului de facebook – în acest caz comentariile vor fi postate imediat. Puteţi să vă faceţi cont de Facebook aici.
Orice critică este acceptată pe site-ul evz.ro, cu condiţia păstrării unui limbaj civilizat, toate aceste măsuri fiind şi în sprijinul celor interesaţi să-şi expună punctele de vedere fără a mai fi hărţuiţi.
Sperăm că veţi înţelege adevărata valoare a demersului evz.ro şi vă veţi asuma responsabilitatea alături de noi.

LASA UN COMENTARIU

Caractere ramase: 1000

NOTA: Va rugam sa comentati la obiect, legat de continutul prezentat in material. Orice deviere in afara subiectului, folosirea de cuvinte obscene, atacuri la persoana autorului (autorilor) materialului, afisarea de anunturi publicitare, precum si jigniri, trivialitati, injurii aduse celorlalti cititori care au scris un comentariu se va sanctiona prin cenzurarea partiala a comentariului, stergerea integrala sau chiar interzicerea dreptului de a posta, prin blocarea IP-ului folosit. Site-ul EVZ.ro nu raspunde pentru opiniile postate in rubrica de comentarii, responsabilitatea formularii acestora revine integral autorului comentariului.

CITESTE ACUM