Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Subdomenii ale fizicii » Fizica particulelor

Fizica particulelor

LHC_tunel

Fizica particulelor este o ramură a fizicii care studiază componentele elementare ale materiei și radiațiile, precum și interacțiunile dintre ele. Este, de asemenea, numită fizica energiilor înalte, pentru că multe particule elementare nu apar în mod independent în natură, și pot fi detectate doar în timpul coliziunilor dintre particule energetice mai mari, așa cum se întâmplă în acceleratoarele de particule.

Cercetare modernă în fizica particulelor este axată pe particule subatomice, care sunt mai mici decât atomii. Acestea includ elemente constitutive atomice, cum ar fi electroni, protoni, şi neutroni (protonii și neutronii sunt de fapt particule compuse, formate din cuarci), precum și particule produse prin procese radiative și de împrăștiere, cum ar fi fotonii, neutrinii și muonii.

Strict vorbind, termenul de particulă este un termen impropriu. Obiectele studiate de fizica particulelor ascultă principiile mecanicii cuantice. Ca atare, ele prezintă dualitatea undă-particulă, afișând un comportament de particule, în anumite condiții experimentale, și un comportament de undă în alte condiţii. Teoretic, ele nu sunt descrise nici ca unde, nici ca particule, ci ca stări vectoriale într-un spațiu abstract Hilbert. În urma convenției din fizica particulelor, vom folosi termenul de „particulele elementare” pentru a ne referi la obiecte precum electroni şi fotoni, cu înțelegerea că aceste „particule” au şi proprietăți de undă.

Toate particulele observate până în prezent au fost catalogate într-o teorie a câmpului cuantic numită Modelul Standard, care este adesea considerată ca cea mai bună realizare a fizicii particulelor până în prezent. Modelul conține 47 de specii de particule elementare, dintre care unele se pot combina pentru a forma particule compozite, reprezentând sute de alte specii de particule descoperite încă din anii 1960. Modelul Standard a fost găsit ca fiind de acord cu aproape toate testele experimentale efectuate până în prezent. Cu toate acestea, cei mai mulți fizicieni cred că aceasta este o descriere incompletă a naturii, și că o teorie mai fundamental așteaptă să fie descoperită. În ultimii ani, măsurătorile de masă pentru neutrino au furnizat primele abateri experimentale de la Modelul Standard.

Fizica particulelor a avut un impact mare asupra filosofiei științei. Ideile reducționiste care motivează multe din activităţile în acest domeniu au fost criticat de către diverşi filozofi și oameni de știință.

Istoria

Ideea că materia este compusă din particule elementare datează cel puțin din secolul al 6-lea î.Hr. Doctrina filosofică de „atomism”, a fost studiat de către filosofii greci antici, cum ar fi Leucippus, Democrit, şi Epicur. Deși Isaac Newton în secolul al 17-lea a crezut că materia este alcătuită din particule, a fost John Dalton, care a declarat în mod oficial în 1802 că totul este format din atomi mici.

Primul tabel periodic al lui Dmitri Mendeleev în 1869 a ajutat la cimentarea punctului de vedere, răspândit de-a lungul secolului XIX, că materia este formată din atomi. Lucrările lui J.J. Thomson au stabilit că atomii sunt compuşi din electroni uşori și protoni masivi. Ernest Rutherford a stabilit că protonii sunt concentraţi într-un nucleu compact. Nucleul a fost iniţial gândit ca fiind compus din protoni si electroni dispersaţi în interior (pentru a explica diferența dintre sarcina nucleară și numărul de masă), dar mai târziu a fost dovedit că nucleul este compus din protoni și neutroni.

Explorările din secolul XX ale fizicii nucleare și fizicii cuantice, culminând cu dovezi ale fisiunii nucleare și ale fuziunii nucleare, a dat naștere la o industrie activă de generare a unui atom dintr-un alt atom, chiar făcând posibil (deși nu este economic), transmutarea plumbului în aur. Aceste teorii au prezis cu succes armele nucleare.

De-a lungul anilor 1950 și 1960, o varietate uimitoare de particule au fost descoperite în experimentele de împrăştiere. Acest lucru a fost menționat ca „grădina zoologică a particulelor”. Acest termen a fost descurajat după formularea Modelului Standard din anii 1970, în care numărul mare de particule a fost explicat prin combinații ale unui (relativ) număr mic de particule elementare.

Modelul Standard

Clasificarea actuală a particulelor elementare este numită „Modelul Standard”. Acesta descrie forțele fundamentale tari, slabe, și electromagnetice, folosind bosoni de mediere cunoscuţi ca „bosoni gauge”. Printre speciile de bosoni gauge sunt fotonii, bosonii W and W+, bosonii Z, și gluonii. Modelul conține, de asemenea, 24 de particule fundamentale, care sunt elementele constitutive ale materiei. În cele din urmă, el prezice existența unui tip de boson cunoscut sub numele de bosonul Higgs, care a fost confiormat de curând.

Fizica particulelor experimentală

În fizica particulelor, cele mai importante colaborările internaționale sunt:

  • CERN, la granița franco-elvețiană în apropiere de Geneva. Principalele facilitățile ale sale sunt LEP, Large Electron Positron Collider și LHC, sau Large Hadron Collider.
  • DESY, situat în Hamburg, Germania. Principala sa facilitate este HERA, care ciocnește electronii sau pozitronii cu protonii.
  • SLAC, situat în apropiere de Palo Alto, Statele Unite ale Americii. Facilitatea sa principală este PEP-II, care ciocnește electroni și pozitroni.
  • Fermilab, situat în apropiere de Chicago, Statele Unite ale Americii. Facilitatea sa principală este Tevatron, care ciocnește protoni si antiprotoni.
  • Brookhaven National Laboratory, situat pe Long Island, Statele Unite ale Americii. Facilitatea sa principală este Relativistic Heavy Ion Collider, care ciocnește ioni grei, cum ar fi ionii de aur (este primul accelerator de ioni grei) și protoni.

Exista multe alte acceleratoare de particule.

Obiecții

În cadrul fizică în sine, există unele obiecții cu privire la abordarea extrem de reducționistă în încercarea de a explica totul în termeni de particule elementare și interacțiunea lor. Aceste obiecții sunt de obicei ridicate de fizicienii materiei solide. În timp ce Modelul Standard în sine nu este contestat, este de reținut că testarea și perfecționarea modelul nu este aproape la fel de important ca și studierea proprietăților atomilor și moleculelor, precum și a ansamblurilor statistice deosebit de mari ale acestora. Aceste critici susțin că chiar și o cunoaștere completă a particulelor elementare de bază nu va oferi cunoștințe complete despre atomi și molecule, cunoștințe care, fără îndoială, sunt mult mai importante pentru noi.

Reducționiștii susțin de obicei că toate progresele în științele a implicat într-o anumită măsură reducționismul.

Politici publice

Rezultatele experimentale în fizica particulelor sunt investigate folosind acceleratoare de particule enorme care costă de obicei multe miliarde de dolari, și necesită valori mari de finanțare de către guverne. Din acest motiv, cercetarea în fizica particulelor implică probleme de ordine publică.

Mulți au susținut că potențialele rezultate nu justifică banii cheltuiți, și că, de fapt, fizica particulelor ia banii unor studii mult mai importante în cercetare și educație. În 1993, Congresul SUA a oprit Superconducting Super Collider din cauza unor astfel de preocupări, după ce 2 miliarde dolari au fost deja cheltuiţi pentru construcția sa. Mulți oameni de știință, atât partizanii cât și adversarii SSC, cred că decizia de a opri construcția SSC s-a datorat în parte sfârșitului Războiului Rece, care a eliminat concurența științifică cu Uniunea Sovietică ca o justificare în cheltuirea de sume mari de bani pe SSC.

Unele comunități științifice cred că fizica particulelor a fost, de asemenea, afectată în mod negativ de îmbătrânirea populației. Credința este că populația mai în vârstă este mult mai preocupată de problemele imediate ale sănătății lor și a părinţilor lor, și că acest lucru a îndepărtat finanțarea științifică de fizică, apropiind-o de științele biologice și medicină. În plus, mulți oponenți pun la îndoială capacitatea unei singure țări pentru a sprijini cheltuielile cu rezultate în fizica particulelor și dau vina pe SSC pentru că nu se caută o mai mare finanțare internațională.

Sustinatorii acceleratoarelor de particule afirmă că investigarea teoriile cele mai fundamentale merită o finanțare adecvată, și că de acest lucru vor beneficia şi alte domenii ale științei în diverse moduri. Ei subliniaza ca toate acceleratoarele de azi sunt proiecte internaționale și pun la îndoială afirmația că banii cheltuiți pe acceleratoare ar fi bine să fie utilizaţi în alte scopuri științifice sau educative.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *