V.7.2. Quarcii – particule elementare.

Modelul Standard este o teorie simplă și cuprinzătoare care explică cele peste două sute de particule și interacțiunea complexă dintre ele doar cu 6 quarci, 6 leptoni și bosoni (particule purtătoare de energie).

Încă din anul 1964, fizicienii Gell-Mann și George Zweig au formulat, independent, ipoteza existenței quarcilor.

Quarcii sunt particule de spin 1/2, din familia de fermioni, nume generic atribuit particulelor care au proprietatea că nu se pot găsi în aceeași stare cuantică.

Quarcul este o particulă elementară care interacționează prin forța nucleară puternică și care constituie materia grea (numită și barionică).

Punerea lor în evidenţă a fost făcută în trei generații:

• I : up şi down
• II : charm şi strange
• III : top şi bottom.

Clasificarea quarcilor după aroma lor (caracterizată de un set de numere cuantice):

Pentru fiecare particulă de materie există și o antiparticulă, particula corespunzătoare de antimaterie (notată cu o liniuță deasupra simbolului, în cazul în care are sarcina 0), cele două având sarcini electrice opuse.

Antiparticula este o particulă obișnuită, având masă și energie pozitive. Ceea ce o face antiparticulă este proprietatea de a se anihila cu particula sa și de a genera lumină (fotoni).

Fizicienii consideră antiparticula ca fiind o particulă care merge înapoi în timp față de particula sa.

Quarcii mai sunt caracterizați și de un alt tip de sarcină, numită sarcină de culoare. Fiecare din cei şase quarci au trei culori diferite. Culoarea în fizica particulelor elementare, este un concept al interacţiunii tari, analog sarcinii în interacțiunile electromagnetice. Proprietatea de culoare a fost introdusă pentru a caracteriza quarcii, permițând ca aparent quarcii identici să existe în aceeaşi structura hadronică. Culoarea quarcilor definește trei stări cuantice diferite pe care quarcul le va lua în același punct din spațiu, pentru aceeași stare de spin. Proprietatea de culoare face ca trei quarci să coexiste şi să satisfacă principiul de excluziune al lui Pauli.

🔦 Observație

Cele trei culori alese pentru sarcina de culoare nu au nicio legătură cu aceste culori.

Protonul lipsit de sarcină de culoare interacționează la distanțe foarte mari cu un alt proton numai prin intermediul forței electromagnetice.

Quarcii nu pot exista independent în natură, ei formând particule compuse, numite hadroni, prin interacțiuni tari (în stări legate), în grupuri de doi sau de trei în interiorul acestor particule. Deși quarcii au sarcini electrice fracționale, hadronul format din quarci are sarcina electrică întreagă.

Clasificarea hadronilor:

1. Barionii sunt alcătuiți din trei quarci, cei mai cunoscuți fiind protonul și neutronul.

Exemple de barioni :

- Protonul este particula din nucleul atomic care are masă și sarcina electrică +1. El este compus din 2 quarci up și un quarc down – uud.

Între protoni apar forțe de interacțiune nucleare tari (forțe de atracție), transmise de mezoni.

Prin ciocnirea a doi protoni pot apărea diferite particule elementare, de exemplu generarea unui mezon π⁰:

- Neutronul este particula din nucleul atomic care are masă și este neutru din punct de vedere electric. El este compus dintr-un quarc up și 2 quarci down – udd.

La dezintegrarea unui neutron se formează un proton, un electron și un antineutrin:

2. Mezonii sunt alcătuiți dintr-un quarc și un antiquarc, fiind particule ce intermediază interacțiunile nucleare tari. Mezonii sunt particule subatomice cu o viață foarte scurtă, cu o masă de aproximativ 200 de ori mai mare decât cea a unui electron. Existența mezonilor a fost preconizată în 1934 de studiile teoretice ale lui Hideki Yukawa prin care se explica stabilitatea nucleului. Aceste particule au fost descoperite experimental în 1936 de Carl David Anderson în componența radiației cosmice. Mezonul numit pion a fost identificat experimental pentru prima dată în anul 1947.

Exemple de mezoni:

- Pionii sunt cei mai ușori mezoni și joacă un rol important în explicarea energiei joase a forței nucleare tari. Pionii sunt mezoni cu spin 0.

*Exemple de pioni: π⁺, π^-, π⁰.

- Kaonul a jucat un rol important în stabilirea Modelului Standard, ducând la înțelegerea încălcării simetriei, fenomenul care a generat asimetria dintre materie și antimaterie în Univers.

Tabel cu principalii hadroni