Vizualizare sursă pentru „Fizica particulelor elementare”

[[Fișier:Standard Model From Fermi Lab.jpg|thumb|400px|Particulele elementare în modelul standard: quarkuri, leptoni, mediatori (bosoni de calibrare), bosonul Higgs.]]
[[Fișier:CERN Aerial View.jpg|400px|thumb|Vedere aeriană a instalațiilor Organizației Europene pentru Cercetări Nucleare ([[CERN]]). Este indicat traseul tunelului circular cu o circumferință de 27 km care găzduiește acceleratorul [[Large Hadron Collider|LHC]]. În fundal se află [[Lacul Geneva]] și [[Alpi]]i.]]
'''Fizica particulelor elementare''' studiază constituenții fundamentali ai [[materie]]i și interacțiunile acestora. O [[particulă elementară]] este o [[particulă subatomică]] ale cărei proprietăți pot fi înțelese fără a presupune că ea ar avea o structură internă. În dezvoltarea fizicii cuantice, unele particule subatomice inițial considerate elementare s-au dovedit ulterior a avea o structură internă. Explorarea structurii materiei la [[Scară microscopică|scară]] din ce în ce mai mică a fost realizată experimental în procese de ciocnire la [[Energie|energii]] din ce în ce mai mari: fizica particulelor elementare este cunoscută și ca '''fizica energiilor înalte'''.

Rezultatele experimentale obținute și modelele teoretice elaborate în ultimele decenii ale secolului al XX-lea au fost sintetizate în [[modelul standard]], conform căruia particule elementare sunt [[quark]]urile și [[lepton]]ii, împreună cu [[boson]]ii de calibrare (care mediază interacțiunile [[Electromagnetism|electromagnetică]], [[Interacțiune slabă|slabă]] și [[Interacțiunea tare|tare]]). Acestora li se adaugă [[bosonul Higgs]] (postulat pentru a explica masele diferite de zero ale unor bosoni de calibrare și confirmat experimental în anul [[2013]]). [[Graviton]]ul, postulat ca mediator al interacțiunii [[Gravitație|gravitaționale]], a rămas deocamdată ipotetic și nu este inclus în modelul standard.

==Simboluri și unități==

Denumirile particulelor subatomice sunt indicate simbolic printr-o literă din alfabetul latin sau grec. Exemplu: foton <math>\gamma</math>. Pentru o antiparticulă se folosește același simbol ca pentru particula respectivă, cu o bară deasupra. Exemplu: neutrin <math>\nu</math>, antineutrin <math>\bar{\nu}</math>. Pentru particulele care au sarcină electrică, distincția dintre particulă și antiparticulă se face printr-un indice superior care indică semnul sarcinii. Exemplu: electron e<sup>–</sup>, pozitron e<sup>+</sup>.

În fizica subatomică energiile se măsoară în multipli ai [[electronvolt]]ului ('''eV'''): 1&nbsp;MeV = 10<sup>6</sup>&nbsp;eV, 1&nbsp;GeV = 10<sup>9</sup>&nbsp;eV, 1&nbsp;TeV = 10<sup>12</sup>&nbsp;eV.

În fizica energiilor înalte este utilizat sistemul de [[unități naturale]] în care [[viteza luminii]] în vid și [[constanta Planck]] redusă  au valoarea 1. Atunci, conform relației E&nbsp;=&nbsp;mc<sup>2</sup>, masele particulelor sunt măsurate în unități de energie echivalente. Exemple: masa electronului m<sub>e</sub> = 0,510999&nbsp;MeV, masa protonului m<sub>p</sub> = 938,272&nbsp;MeV, masa bosonului Higgs m<sub>H</sub> = 125,09&nbsp;±&nbsp;0,21&nbsp;GeV.

Unitatea de [[sarcină electrică]] este [[Sarcină elementară|sarcina elementară]]. Exemplu: sarcina electronului este –1.

==Producerea particulelor subatomice==
[[Fișier:Lieu historique national du Canada de la Station d'Étude des Rayons Cosmiques du Mont Sulphur.jpg|thumb|Observatorul de raze cosmice Mount Sulphur (Canada).]]
[[Fișier:Forschungsreaktor München 3A.png|thumb|Reactorul de cercetare FRM&nbsp;I, din [[Garching bei München]].]]
[[Fișier:Fermilab.jpg|thumb|Acceleratorul ''collider'' Tevatron. Laboratorul [[Fermi National Accelerator Laboratory|Fermilab]], Batavia, lângă [[Chicago]].]]
[[Fișier:SLAC National Accelerator Laboratory Aerial 2.png|thumb|Acceleratorul ''linac collider'' SLC. Laboratorul [[SLAC National Accelerator Laboratory|SLAC]], Stanford, lângă [[San Francisco]].]]

[[Electron]]ul și [[proton]]ul sunt particule stabile, componente ale [[atom]]ilor care, la rândul lor, sunt componenții materiei la [[scară macroscopică]]. O placă metalică încălzită devine sursa unui nor de electroni, care prin accelerare într-un câmp electromagnetic devine un fascicul de electroni. Protonii se obțin ionizând atomi de hidrogen; cum masa electronului e neglijabil de mică față de masa protonului, un rezervor de hidrogen este practic un rezervor de protoni. Alte particule subatomice (elementare sau compuse) sunt produse în procese elementare care au loc în natură sau în laborator.<ref>Griffiths, p. 4.</ref>

===Raze cosmice===

{{Articol principal|Radiație cosmică}}

Particule de energie înaltă provenind de la surse situate în spațiul extraterestru produc neîntrerupt în straturile superioare ale atmosferei cascade de particule secundare. Această ''radiație cosmică'' este o sursă naturală de particule cu energii mult mai mari decât cele care pot fi realizate într-un laborator terestru; [[pozitron]]ul, [[miuon]]ul, [[pion]]ul și [[Mezon|kaonul]] au fost descoperiți în acest fel. Ea prezintă dezavantajul că este incontrolabilă, iar [[flux]]ul de particule este foarte redus: experimentele cu raze cosmice cer multă răbdare și durează un timp îndelungat.<ref>Veltman, pp. 165–166.</ref>

===Reactori nucleari===
{{Articol principal|Reactor nuclear}}

Reacțiile nucleare produc o diversitate de particule, în principal [[neutron]]i, [[neutrin]]i, [[electron]]i și [[pozitron]]i, [[foton]]i ([[radiație gama]]). Reactorii de cercetare servesc ca surse de particule în experimente efectuate în laborator.<ref>Griffiths, p. 5.</ref>

===Acceleratoare de particule===
{{Articol principal|Accelerator de particule}}

Particulele elementare sunt produse în laborator ca fragmente rezultate din procese de ciocnire. Fragmentarea la scară subatomică și producerea de fragmente masive necesită energii înalte, care se realizează prin accelerare. O sursă de ioni produce particule încărcate electric (protoni sau electroni); acestea sunt injectate în acceleratorul propriu-zis, unde sunt accelerate într-un câmp electromagnetic și colimate într-un fascicul, care este focalizat asupra unei ținte. Produsele de dezintegrare rezultate din ciocnire sunt captate și analizate de un detector, sau sunt filtrate și dirijate în fascicule secundare.<ref>Griffiths, pp.5–7.</ref>

Primul accelerator circular a fost [[ciclotron]]ul construit de [[Ernest Lawrence]] în [[1934]], în care particulele erau menținute pe o traiectorie spirală de un câmp magnetic static și accelerate de un câmp electric de [[radiofrecvență]]. Succesorul său a fost [[sincrotron]]ul, în care fasciculul de particule urmează o traiectorie închisă, iar câmpul magnetic este sincronizat cu creșterea energiei, astfel încât devierea, colimarea și accelerarea cooperează la obținerea unui fascicul stabil. O variantă tehnică de sincrotron păstrează pentru un timp (care poate fi de ordinul orelor) particulele accelerate într-un [[inel de acumulare]], pentru a obține un fascicul intens.<ref name="VELT">Veltman, pp. 165–178.</ref>

În acceleratoarele cu ''țintă fixă'' doar o parte din energia fasciculului este absorbită în procesul de producere de particule; restul se pierde prin reculul țintei, ca energie cinetică a centrului de masă. Această problemă nu există la acceleratoarele de tip ''[[collider]]'', în care două fascicule de particule de mase egale sunt accelerate în sensuri opuse și se ciocnesc frontal. Dezavantajul acestor mașini este luminozitatea relativ redusă (densitatea de particule în fascicul fiind inferioară densității în ținta fixă), ceea ce înseamnă și că ele nu pot fi configurate pentru a genera fascicule secundare intense.<ref name="VELT" /> Cel mai mare ''collider'' din lume este [[Large Hadron Collider]] de la [[CERN]], proiectat în principal pentru ciocniri proton-proton la energii de 6,5&nbsp;TeV pe fascicul (13&nbsp;TeV în total).<ref>[https://home.cern/topics/large-hadron-collider ''The Large Hadron Collider (LHC)''] (accesat la 17 septembrie 2016)</ref>

Particulele în mișcare pe o traiectorie închisă emit radiație electromagnetică (radiație de sincrotron), ceea ce înseamnă decelerare și pierdere de energie în procesul de ciocnire. La energii egale, pierderea este mai pronunțată în cazul electronilor decât în cazul protonilor: pentru accelerarea de electroni, acceleratoarelor circulare le sunt preferate acceleratoarele liniare (''linac''). Singurul ''linac collider'' din lume este SLAC Linear Collider (SLC) de la [[SLAC National Accelerator Laboratory]]; el constă din două acceleratoare liniare care trimit fascicule în sensuri opuse, la energii de 50&nbsp;GeV pe fascicul.<ref>[http://www-sldnt.slac.stanford.edu/alr/slc.htm ''SLAC Linear Collider (SLC)''] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20160316085909/http://www-sldnt.slac.stanford.edu/alr/slc.htm |date=2016-03-16 }} (accesat la 17 septembrie 2016)</ref>

==Detectarea particulelor subatomice==
{{Articol principal|Detector de particule}}
[[Fișier:Hydrogen bubble chamber, diameter 1 meter, National Laboratory for High Energy Physics (KEK), built 1971-1975 - National Museum of Nature and Science, Tokyo - DSC07799.JPG|thumb|Cameră cu bule.]]
[[Fișier:Collider Detector at Fermilab (CDF) silicon vertex detector cross section.JPG|thumb|Detector cu siliciu.]]

Particulele de înaltă energie încărcate electric ionizează atomii din mediul prin care trec, iar efectele acestei ionizări pot fi utilizate pentru detectarea lor. Pe acest principiu funcționează contoarele Geiger, camerele cu ceață, [[Cameră cu bule|camerele cu bule]] și camerele cu scântei. Camerele multifilare proporționale și camerele cu derivă detectează avalanșele de electroni declanșate de trecerea particulelor. Unele molecule sunt excitate în ciocnirea cu particulele incidente, iar prin revenirea la starea inițială ele emit lumină; pe acest principiu funcționează detectorii cu scintilație. Detectoarele Cerenkov înregistrează radiația emisă de particule încărcate care traversează un mediu dielectric cu o viteză superioară vitezei luminii în acel mediu.

Particulele electric neutre, cum sunt fotonii și neutronii, nu produc traiectorii de ionizare; ele pot fi observate doar indirect. Fotonii pot fi detectați prin perechile electron-pozitron pe care le creează; fotomultiplicatoarele sunt bazate pe efectul fotoelectric. Neutronii generează, prin ciocniri cu nuclee atomice, particule încărcate electric sau fragmente nucleare care pot fi observate.

Particulele instabile, încărcate sau neutre, generează produse de dezintegrare care, la rândul lor, pot fi observate.

În instalațiile moderne se utilizează predominant camerele cu scântei, care produc imagini fotografice ale traiectoriilor, și camere multifilare proporționale, camere cu derivă și detectoare cu [[semiconductor]]i ([[germaniu]] sau [[siliciu]]), care trimit datele colectate într-un computer unde ele sunt procesate.<ref>Veltman, pp. 140–146.</ref><ref>Griffiths, pp. 7–9.</ref>
<gallery>
Fișier:Nuclear particle in a diffusion cloud chamber.png|thumb|Imagine din camera cu ceață.
Fișier:Liquid hydrogen bubblechamber.jpg|Imagini din camera cu bule.
Fișier:HD.6D.638 (11999959185).jpg|Traiectoria unui miuon în camera cu scântei.
Fișier:CERN UA5 - ppbar interaction at 540GeV.jpg|Traiectorii de particule în camera cu derivă.
</gallery>

==Rezultate experimentale și modele teoretice==

Istoricul fizicii particulelor elementare a început odată cu descoperirea [[electron]]ului ([[1897]]); în anul [[2013]], când a fost stabilită fără echivoc existența [[Bosonul Higgs|bosonului Higgs]], el nu se încheiase. Evoluția cunoașterii în acest domeniu al fizicii moderne a avut loc prin întrepătrunderea și stimularea reciprocă a realizărilor experimentale și ideilor teoretice. Unele particule identificate inițial ca elementare (cum sunt [[proton]]ul și [[pion]]ul) s-au dovedit ulterior a avea o structură internă.<ref>[http://indico.cern.ch/event/417869/attachments/864850/1210453/lecture_LD.pdf Luigi DiLella: ''From Atoms to Quarks''] (accesat la 16 septembrie 2016)</ref>

===Electroni===
[[Fișier:J J Thomsons cathode ray tube with magnet coils, 1897. (9663807404).jpg|thumb|Tubul catodic cu ajutorul căruia J.J. Thomson a descoperit electronul.]]

Experimentele efectuate de [[Joseph John Thomson|J.J. Thomson]] în [[1897]] asupra razelor catodice au arătat că acestea constau din „corpusculi” de sarcină electrică negativă și masă mult mai mică decât masa oricărui [[ion]] cunoscut. Din faptul că raportul sarcină/masă era independent de natura electrozilor rezulta că acești ''[[electron]]i'', cum au fost numiți mai târziu, erau constituenți esențiali ai oricărui [[atom]]. Întrucât atomii sunt electric neutri și mult mai masivi, se punea întrebarea cum este distribuită în atom sarcina pozitivă compensatoare, care trebuia să constituie aproape în întregime masa atomului.

Un grup de cercetători sub îndrumarea lui [[Ernest Rutherford]] a sondat această distribuție de sarcină, observând modul în care era împrăștiat un fascicul de [[Particulă alfa|raze alfa]] pe o foiță de aur ([[1911]]). Concluzia era că sarcina pozitivă masivă este concentrată în centrul atomului. Rutherford a încorporat acest rezultat într-un [[Modelul atomic Rutherford|model atomic]], care însă nu specifica distribuția sarcinii negative de electroni.<ref>Griffiths, pp. 13–14.</ref>

===Nucleoni===
[[Fișier:Nucleus drawing.svg|thumb|Reprezentare schematică a unui nucleu atomic, alcătuit din protoni și neutroni.]]

În anul [[1913]], [[Niels Bohr]] a propus un [[Modelul atomic Bohr|model al atomului de hidrogen]], care consta dintr-un electron punctual aflat pe o orbită staționară în jurul unui nucleu masiv de dimensiuni mult mai mici decât raza orbitei electronice și de sarcină electrică pozitivă, egală în valoare absolută cu sarcina electronului. Acest model era compatibil cu rezultatele experimentului Rutherford și explica structura spectrului de linii al hidrogenului. Ionul de hidrogen urma să primească peste câțiva ani numele de ''[[proton]]''.

Extins la atomii masivi, modelul atomic ar fi constat dintr-un număr de electroni ([[număr atomic]] <math>Z\,</math>) pe orbite staționare și un [[Nucleu atomic|nucleu]] compus din tot atâția protoni. În realitate, masa ionilor masivi, deși un [[multiplu|multiplu întreg]] ([[număr de masă]] <math>A\,</math>) al masei protonului, este mai mare decât suma maselor protonilor (<math>A > Z\,</math>). A fost necesară postularea existenței ''[[neutron]]ului'', o particulă de masă egală cu masa protonului, dar cu sarcină electrică zero, care a fost descoperit experimental de [[James Chadwick]] în [[1932]].<ref>Griffiths, p. 15.</ref><ref>Veltman, pp. 8–11.</ref>

Existența atomilor alcătuiți dintr-un nucleu și electroni, argumentată teoretic de [[Mecanică cuantică|mecanica cuantică]], constituie fundamentul [[Fizică atomică|fizicii atomice]]. Existența nucleelor atomice alcătuite din ''[[nucleon]]i'' (protoni și neutroni) constituie fundamentul [[Fizică nucleară|fizicii nucleare]]. Nucleonii sunt membrii cei mai puțin masivi ai unei familii de particule numite '''[[barion]]i''' (din [[Limba greacă|greacă]]: βαρύς = greu).

===Fotoni===
[[Fișier:Compton Effect Schematic-ro.svg|thumb|Reprezentare schematică a efectului Compton.]]

[[Albert Einstein]] a dat explicația teoretică a faptului că în [[Efect fotoelectric|efectul fotoelectric]] energia maximă a electronilor emiși de o suprafață metalică iradiată depinde nu de intensitatea, ci numai de frecvența radiației incidente, făcând presupunerea că radiația electromagnetică are o structură corpusculară ([[1905]]). Această ipoteză a fost primită inițial cu ostilitate de lumea științifică, până când în anul [[1923]] ea a fost reluată de [[Arthur Holly Compton|Arthur H. Compton]] și acceptată ca unică explicație posibilă a împrăștierii razelor X pe electroni atomici ([[Împrăștiere Compton|efect Compton]]). „Cuantele de lumină” asociate radiației electromagnetice au primit în [[1926]] numele de ''[[foton]]i''.<ref>Griffiths, pp.15–18.</ref><ref>Veltman, pp. 15–18.</ref>{{clear}}

===Antiparticule===
[[Fișier:PositronDiscovery.jpg|thumb|Descoperirea pozitronului: traiectorie în camera cu ceață.]]

[[Ecuația lui Dirac]] pentru funcția de stare relativistă a electronului ([[1928]]) admite soluții care corespund unor stări de energie negativă. În [[1931]] tot [[Paul Dirac|P.A.M. Dirac]] a reinterpretat aceste soluții ca reprezentând stări ale unei particule încă neobservate, cu aceeași masă ca a electronului dar de sarcină electrică opusă, pe care a numit-o „antielectron”. Traiectoria unei particule cu aceste caracteristici a fost observată în [[1932]] de [[Carl David Anderson|C.D. Anderson]]; ea a primit numele de ''[[pozitron]]''. Existența perechii electron-pozitron, care poate fi creată/anihilată odată cu absorbția/emisia de fotoni, a reprezentat baza pentru teoria cuantică relativistă a ''[[Electromagnetism|interacțiunii electromagnetice]]'', [[Electrodinamică cuantică|electrodinamica cuantică]], a cărei formulare modernă a fost dată de [[Sin-Itiro Tomonaga]], [[Julian Schwinger]], [[Richard Feynman|Richard P. Feynman]] și [[Freeman J. Dyson]].<ref>Griffiths, pp. 20–23.</ref>

Existența de perechi particulă-antiparticulă, cu aceeași masă dar deosebindu-se prin alte proprietăți (de exemplu sarcini electrice opuse), a fost confirmată în observații și experimente ulterioare ca lege a naturii. Există și perechi particulă-antiparticulă cu sarcină electrică zero: ''[[antineutron]]ul'' a fost observat în [[1956]] la acceleratorul Bevatron ([[Laboratorul Național Lawrence Berkeley|Lawrence Berkeley National Laboratory]]).<ref>[http://indico.cern.ch/event/426630/attachments/909550/1284250/Lecture_1.pdf Rolf Landua: ''ANTIMATTER'', pp. 16–19] (accesat la 16 septembrie 2016)</ref><ref>[https://timeline.web.cern.ch/timelines/The-story-of-antimatter CERN timelines: ''The story of antimatter''] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20170218064659/https://timeline.web.cern.ch/timelines/The-story-of-antimatter |date=2017-02-18 }} (accesat la 16 septembrie 2016)</ref> Particulele de masă zero (cum este fotonul) sunt propriile lor antiparticule.<ref>Veltman, pp. 19–21.</ref>

===Leptoni===
[[Fișier:Neutrino bubble chamber decay overlay.png|thumb|Neutrin detectat în camera cu bule (1970).]]

Pentru a elimina controversa legată de aparenta violare a [[Legea conservării energiei|legii conservării energiei]] în [[Radiație beta|dezintegrarea beta]], [[Wolfgang Pauli]] a sugerat în anul [[1930]] existența unei particule de masă nulă sau foarte mică și sarcină electrică zero, care să restabilească bilanțul energiei. În [[1934]], [[Enrico Fermi]] a inclus această ipoteză în teoria dezintegrării beta și a numit particula ''[[neutrin]]o''. Existența neutrinului a fost confirmată experimental de [[Clyde Cowan]] și [[Frederick Reines]] în [[1956]].

În [[1936]], Anderson și Neddermeyer au detectat în camera cu bule o particulă cu sarcină electrică negativă, produsă de razele cosmice. După identificarea inițială greșită ca „mezon <math>\mu</math>”, particula a fost redenumită ''[[miuon]]''. Proprietățile miuonului sunt similare cu ale electronului: parametrii de dezintegrare sunt de același ordin de mărime cu parametrii dezintegrării beta inversă, iar în ambele cazuri sunt emiși neutrini. În [[1962]], [[Leon Max Lederman|Leon Lederman]], [[Melvin Schwartz]] și [[Jack Steinberger]] au confirmat experimental ipoteza că neutrinii emiși în cele două procese sunt diferiți.<ref>Griffiths, pp. 23–30.</ref>

Electronul (<math>e^-</math>), miuonul (<math>\mu</math>), neutrinul electronic (<math>{\nu_e}</math>) și neutrinul miuonic (<math>{\nu}_\mu</math>) sunt ''[[lepton]]i'' (din [[Limba greacă|greacă]]: λεπτός = subțire, fin) – particule supuse ''[[Interacțiune slabă|interacțiunii slabe]]'' dar care nu simt forța nucleară tare.

===Mezoni===
[[Fișier:HD.6D.634 (12000264304).jpg|thumb|Traiectoriile unui fascicul de pioni în camera cu bule.]]

Stabilitatea nucleelor atomice indică existența unei forțe de atracție intense între nucleoni. Spre deosebire de interacțiunea electromagnetică, cu rază infinită de acțiune și care asigură stabilitatea atomilor, forța nucleară trebuie să aibă o rază de acțiune foarte mică, de ordinul de mărime al dimensiunilor nucleului. În anul [[1934]], [[Hideki Yukawa]] a făcut ipoteza că această ''[[Interacțiunea tare|interacțiune tare]]'' este mediată de o particulă încă neidentificată, așa cum interacțiunea electromagnetică este mediată de foton. Calculele teoretice indicau o masă intermediară între masa electronului și masele nucleonilor, ceea ce a sugerat denumirea de ''[[mezon]]'' (din [[Limba greacă|greacă]]: μέσος = mediu, intermediar). Particula a fost identificată în [[1947]] de [[Cecil Frank Powell|Cecil Powell]] și colaboratorii săi, în emulsii fotografice expuse razelor cosmice la mare altitudine. În anii următori au fost descoperiți și alți mezoni, iar particula Yukawa a fost redenumită ''mezon'' <math>\pi</math> sau ''[[pion]]''.<ref>Griffiths, pp. 18–20.</ref>

===Particule stranii===
{{Fizica modernă}}
Începând din [[1947]] și continuând în [[anii 1950]], au fost observate, întâi în razele cosmice, apoi – odată cu intrarea în funcțiune a Bevatronului – și în laborator, o serie întreagă de particule, atât mezoni cât și barioni, care au fost numite „particule stranii”. Caracterul straniu consta în aceea că ele erau produse în abundență, în timpuri de ordinul 10<sup>-23</sup>&nbsp;s, dar se dezintegrau relativ încet, tipic în timpuri de ordinul 10<sup>-10</sup>&nbsp;s. Această comportare sugera că era vorba de două mecanisme diferite: particulele stranii erau produse de interacția tare, dar se dezintegrau prin interacția slabă. [[Murray Gell-Mann]] și [[Kazuhiko Nishijima]] au introdus un număr cuantic nou, numit {{ill|en|strangeness}} (''stranietate''), pentru a le caracteriza.<ref>Griffiths, pp. 30–35.</ref>

În [[1961]], Gell-Mann a introdus o clasificare a particulelor care interacționează tare, denumite colectiv '''[[hadron]]i''' (din [[Limba greacă|greacă]]: ἁδρός = gros, masiv), pe care a numit-o {{ill|en|calea octuplă|Eightfold way (physics)}}. În această schemă, atât mezonii cât și barionii sunt grupați în ''supermultipleți'' care pun în evidență simetria aproximativă SU(3) a interacției tari, fără a indica natura acesteia.<ref>Griffiths, pp. 35–37.</ref>

===Quarkuri===

În [[1964]], Gell-Mann (și, în mod independent, [[George Zweig]]) a formulat ipoteza că hadronii sunt particule compuse, alcătuite din unități elementare pe care le-a numit ''[[quark]]uri'' (singular: ''quark''). Erau postulate trei tipuri de quarkuri, zise ''flavors'' (''arome''): ''up'' (''u''), ''down'' (''d'') și ''strange'' (''s''). Quarkurile trebuia să fie [[fermion]]i de [[Spin ½ și matricile lui Pauli|spin 1/2]] și să aibă sarcină electrică fracționară (respectiv 2/3, -1/3 și -1/3 din sarcina elementară). Simetria evidențiată de calea octuplă putea fi explicată presupunând că mezonii sunt compuși dintr-o pereche quark-antiquark <math>\left( q \bar q \right)</math>, iar barionii din trei quarkuri <math>\left( q q q \right)</math>. Acest model matematic avea defectul că viola [[principiul de excluziune]]. [[Oscar W. Greenberg]] a arătat că defectul putea fi remediat făcând ipoteza că, pe lângă aromă, quarkurile au o proprietate suplimentară, numită simbolic ''color'' (''culoare''), cu trei valori diferite, respectiv ''red'' (''roșu''), ''green'' (''verde'') și ''blue'' (''albastru''), și că hadronii sunt „incolori” (adică quarkurile din componența unui hadron au culori diferite).

Experimentele efectuate în anii următori pentru detectarea quarkurilor au avut rezultat negativ. Totuși, experimentele de împrăștiere inelastică la energii mari, efectuate la SLAC și CERN, au arătat că distribuția de sarcină în interiorul hadronilor era neomogenă, având un caracter granular, compatibil cu modelul quarkurilor. Aceste componente ale hadronilor nu puteau fi detectate în stare liberă; ele apăreau „încarcerate” (''confined'') în interiorul hadronilor. În [[1973]], [[David Jonathan Gross|David J. Gross]], [[Hugh David Politzer|H. David Politzer]] și [[Frank Anthony Wilczek|Frank Wilczek]] au arătat că, la limita energiilor foarte înalte, ele tind să se miște {{ill|en|Libertate asimptotică|Asymptotic freedom|aproape liber}}.<ref>Griffiths, pp. 37–43.</ref>

===Alte quarkuri, gluoni, alți leptoni===

Descoperirea mezonului [[J/Psi]] de către grupurile [[Burton Richter]] la SLAC și [[Samuel Ting]] la ''Brookhaven National Laboratory'' ([[1974]]) a declanșat o serie de evenimente care, pentru semnificația lor deosebită, au fost denumite „revoluția din noiembrie”. Proprietățile ieșite din comun ale acestui mezon (masă și viață medie foarte mari) au putut fi explicate doar admițând existența unui al patrulea quark, denumit ''charm'' (''c''), <math>J/\psi</math> fiind interpretat ca stare legată <math>\left( c \bar c \right)</math>. Au fost observați noi mezoni și barioni „charmed” (în a căror structură intra quarkul ''c''). Fusese creată baza experimentală pentru teoria ''[[Interacțiunea tare|interacțiunii tari]]'', [[Cromodinamică cuantică|cromodinamica cuantică]]. A urmat detectarea quarkurilor din „a treia generație”: ''bottom'' (''b'') ([[1977]]) și ''top'' (''t'') ([[1995]]).<ref>Griffiths, pp. 44–47.</ref>

În cromodinamica cuantică, interacțiunea tare dintre quarkuri este mediată de bosoni de masă zero numiți ''gluoni''; simetria SU(3) a interacțiunii tari e reflectată în existența a 8 tipuri (sau ''culori'') de gluoni. Ca și quarkurile, gluonii sunt încarcerați în hadroni, însă pot exista în stare liberă combinații incolore de gluoni (''glueballs'').<ref>Griffiths, p. 50.</ref> Gluonii au fost puși în evidență în [[1979]], în jeturile de particule detectate în experimentul PETRA la [[DESY]].<ref>John Ellis: ''[http://cerncourier.com/cws/article/cern/39747 Those were the days: discovering the gluon] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20170101221402/http://cerncourier.com/cws/article/cern/39747 |date=2017-01-01 }}'', CERN Courier, 15 iulie 2009 (accesat la 10 februarie 2017)</ref>

Identificarea succesivă a leptonilor ''tau'' <math>\left( \tau \right)</math> ([[1975]]), cu ''neutrinul tau'' <math>\left( \nu_\tau \right)</math> corespunzător (în anul [[2000]]), a completat lista leptonilor de a treia generație. Modelul standard conține astfel șase quarkuri și șase leptoni.

===Bosoni vectoriali intermediari===

În anii [[1960]], [[Sheldon Glashow]], [[Abdus Salam]] și [[Steven Weinberg]] au elaborat o descriere unificată a interacțiunilor electromagnetică și slabă: ''[[Interacțiunea electroslabă|teoria cuantică a interacțiunii electroslabe]]''. Teoria presupune existența unor [[boson]]i vectoriali (de spin 1) intermediari, care să acționeze ca mediatori ai interacțiunii slabe. Acești trei ''bosoni de calibrare'', dintre care doi cu sarcini electrice opuse <math>\left( W^+ , \, W^- \right)</math> iar al treilea neutru <math>\left( Z \right)</math>, au fost detectați de grupul [[Carlo Rubbia]] la CERN în [[1983]], cu mase foarte apropiate de cele prezise teoretic.<ref>Griffiths, pp. 47–48.</ref>

===Bosonul Higgs===

Pentru ca bosonii <math>W^{\pm} \,</math> și <math>Z \,</math> să aibă mase diferite de zero, este necesară intervenția mecanismului de ''rupere spontană a simetriei'' (''spontaneous symmetry breaking''), relevat de [[François Englert]], [[Peter Higgs]] și alți cercetători<ref>Gasiorowicz și Langacker, p. 10.</ref>, mecanism care implică existența unui boson scalar (de spin 0) foarte masiv. La 4 iulie 2012, la CERN s-a anunțat descoperirea unei particule cu masă de aproximativ 126&nbsp;GeV, compatibilă cu acest „[[Bosonul Higgs|boson Higgs]]”<ref>''[http://press.cern/press-releases/2012/07/cern-experiments-observe-particle-consistent-long-sought-higgs-boson CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson]'' (accesat la 22 ianuarie 2017)</ref>; identificarea a fost confirmată la 14 martie 2013<ref>''[http://press.cern/press-releases/2013/03/new-results-indicate-particle-discovered-cern-higgs-boson New results indicate that particle discovered at CERN is a Higgs boson]'' (accesat la 22 ianuarie 2017)</ref>, completând baza experimentală a modelului standard.

În 28 august 2018, Colaborarea ATLAS de la Large Hadron Collider (CERN) a anunțat că a fost observată dezintegrarea bosonului Higgs într-o pereche de quarkuri ''bottom''.<ref>''[https://atlas.cern/updates/press-statement/observation-higgs-boson-decay-pair-bottom-quarks ATLAS observes elusive Higgs boson decay to a pair of bottom quarks]'', Press Statement, 28 august 2018 (accesat în 28 august 2018)</ref>

==Interacțiuni fundamentale==
{{Articol principal|Constantă de cuplaj}}

Proprietățile materiei pot fi înțelese pe baza a patru forțe fundamentale: interacțiunile [[Interacțiunea tare|tare]], [[Electromagnetism|electromagnetică]], [[Interacțiune slabă|slabă]] și [[Gravitație|gravitațională]]. Intensitățile acestora sunt caracterizate prin [[Constantă de cuplaj|constante de cuplaj]] adimensionale, care în realitate depind de transferul de energie-impuls în procesul în care ele sunt măsurate.

* '''Interacțiunea tare''' apare, la scară nucleară, ca forța care leagă protonii și neutronii în nucleele atomice, asigurând stabilitatea acestora. La scară elementară, se manifestă structura internă a nucleonilor (în general, a hadronilor): interacțiunea tare se exercită între quarkuri și este mediată de gluoni. Descrierea teoretică a acestei dinamici, care posedă o simetrie SU(3), este dată de cromodinamica cuantică.<ref>Gasiorowicz și Langacker, pp. 13–17.</ref><ref>K.A. Olive et al. (Particle Data Group): ''[http://pdg.lbl.gov/2015/reviews/rpp2015-rev-qcd.pdf Quantum Chromodynamics]'', Chin. Phys. C, 38, 090001 (2014), update 10 februarie 2016 16:30 (accesat la 10 februarie 2017)</ref>

* '''Interacțiunea electromagnetică''' se exercită între particule care posedă [[sarcină electrică]]. La scară elementară, ea se rezolvă sub forma de interacțiuni ale electronilor, mediate de fotoni. Teoria corespunzătoare este electrodinamica cuantică, cu simetrie U(1), consecință a invarianței la etalonare (calibrare) a proceselor electromagnetice.<ref>Gasiorowicz și Langacker, pp. 3–6.</ref>

* '''Interacțiunea slabă''' se manifestă, la scară nucleară, în dezintegrarea beta și dezintegrarea neutronului. La scară elementară, ea e resimțită atât de leptoni cât și de quarkuri; posedă simetrie SU(2), fiind mediată de bosonii vectoriali W<sup>+</sup>, W<sup>-</sup> și Z. Descrierea unificată a interacțiunilor electromagnetică și slabă este dată de teoria cuantică a interacțiunii electroslabe.<ref>Gasiorowicz și Langacker, pp. 8–13.</ref>

* '''Interacțiunea gravitațională''' este dominantă pentru corpurile masive, la scară macroscopică și cosmică. [[Teoria relativității generale]] dă o descriere clasică „aproape perfectă” a gravitației, însă o teorie cuantică, coerentă și renormabilă, este „foarte problematică”.<ref>R.P. Woodard: ''[http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/72/12/126002/pdf How far are we from the quantum theory of gravity?]'', Reports on Progress in Physics, Vol. 72, Nr. 12 (accesat la 2 februarie 2017)</ref><ref>Carlo Rovelli: ''[https://arxiv.org/pdf/gr-qc/0006061.pdf Notes for a brief history of quantum gravity]'' (accesat la 2 februarie 2017)</ref> Gravitonul, bosonul de calibrare care ar media interacțiunea gravitațională, rămâne deocamdată ipotetic.

{| class="wikitable" style="background:#FFFFFF"
|+ Interacțiuni fundamentale
|-
! 
! Constantă<br />de cuplaj
! Mediatori
! Simetrie
! Teorie cuantică
|-
| Interacțiunea tare
| <math>\alpha_s</math>
| gluoni <math>g \,</math>
| SU(3)
| Cromodinamica cuantică
|-
| Interacțiunea electromagnetică
| <math>\alpha</math>
| foton <math>\gamma</math>
| U(1)
| Electrodinamica cuantică
|-
| Interacțiunea slabă
| <math>\alpha_w</math>
| bosoni <math>W \,</math> și <math>Z \,</math>
| SU(2)
| Teoria cuantică a interacțiunii electroslabe
|-
| Interacțiunea gravitațională
| <math>\alpha_g</math>
| graviton [?]
| [?]
| Teoria cuantică a gravitației [?]
|}

==Modelul standard==
{{Articol principal|Modelul standard}}

Informația experimentală acumulată în ultimele decenii ale secolului al XX-lea a condus la formularea unor teorii care descriu corect, în primă aproximație, structura materiei până la o scară de ordinul 1/1000 din dimensiunile nucleului atomic. Ansamblul acestor teorii constituie ''modelul standard''.<ref>Gasiorowicz și Langacker, p. 1.</ref>

===Particule elementare===
{{Articol principal|Particulă elementară}}

Modelul standard recunoaște existența a trei categorii principale de particule elementare: quarkuri, leptoni și mediatori (bosoni vectoriali intermediari). Acestora li se adaugă bosonul Higgs (boson scalar asociat cu [[ruperea spontană a simetriei]]), care constituie, deocamdată de unul singur, o a patra categorie.

* '''Quarkurile''' sunt fermioni de spin 1/2 cu sarcină electrică fracționară (2/3 sau -1/3 din sarcina elementară). Există șase tipuri de quarkuri, denumite convențional ''arome'' (u, d, c, s, t, b), grupate în trei ''generații''; fiecare aromă există în trei subtipuri, denumite convențional ''culori'' (red, green, blue). Quarkurile nu există în stare liberă, ci sunt constrânse în interiorul hadronilor de forța tare.

* '''Leptonii''' sunt fermioni de spin 1/2 care nu interacționează tare. Ca și quarkurile, ei sunt grupați în trei generații, fiecare generație conținând un lepton cu sarcină electrică și un neutrin asociat de masă foarte mică dar diferită de zero.

* '''Mediatorii''' sunt bosoni vectoriali (de spin 1) care intermediază interacțiunile fundamentale. Gluonii au masă zero și mediază interacțiunea tare; ca și quarkurile, ei nu există în stare liberă, ci sunt constrânși în interiorul hadronilor. Fotonul are masă zero și mediază interacțiunea electromagnetică. Bosonii W și Z sunt masivi și mediază interacțiunea slabă.

* '''Bosonul Higgs''' este un boson scalar (de spin 0) masiv, a cărui existență explică masele diferite de zero ale bosonilor W și Z, prin mecanismul ruperii spontane a simetriei.

{| class="wikitable" style="background:#FFFFFF"
|+ Particule elementare
|-
! rowspan=2 |
! colspan=3 | Generații
! rowspan=2 | Antiparticule
! rowspan=2 | Culori
! rowspan=2 | Total
|-
! | 1
! | 2
! | 3
|-
! rowspan=2 | Quarkuri
| up <math>u \,</math>
| charm <math>c \,</math>
| top <math>t \,</math>
| rowspan=2 align=center | da
| rowspan=2 align=center | 3
| rowspan=2 align=center | 36
|-
| down <math>d \,</math>
| strange <math>s \,</math>
| bottom <math>b \,</math>
|-
! rowspan=2 | Leptoni
| electron <math>e^-</math>
| miuon <math>\mu^-</math>
| tau <math>\tau^-</math>
| rowspan=2 align=center | da
| rowspan=2 align=center | –
| rowspan=2 align=center | 12
|-
| align=center | neutrin electronic <math>\nu_e</math>
| align=center | neutrin miuonic <math>\nu_\mu</math>
| align=center | neutrin tau <math>\nu_\tau</math>
|-
! rowspan=4 | Mediatori
| colspan=3 align=center | gluoni <math>g \,</math>
| align=center | –
| align=center | 8
| align=center | 8
|-
| colspan=3 align=center | foton <math>\gamma</math>
| align=center | –
| align=center | –
| align=center | 1
|-
| colspan=3 align=center | boson <math>W \,</math>
| align=center | da
| align=center | –
| align=center | 2
|-
| colspan=3 align=center | boson <math>Z \,</math>
| align=center | –
| align=center | –
| align=center | 1
|-
! Higgs
| colspan=3 align=center | boson Higgs <math>H \,</math>
| align=center | –
| align=center | –
| align=center | 1
|-
!
| colspan=5 align=right ! scope="col" | '''Particule elementare în modelul standard:'''
| align="center" | '''61'''
|}{{clear}}

===Structura hadronilor===
{| class="wikitable" style="float:right; margin-left:1em; background:#FFFFFF;"
|+ <br />
|-
! Structura unui<br /> mezon (''pion'')
! Structura unui<br /> barion (''neutron'')
|-
| align=center | [[Fișier:Quark structure pion.svg|150px]]
| align=center | [[Fișier:Neutron quark structure.svg|150px]]
|}

{{Articol principal|Hadron|Mezon|Barion}}

Pe când leptonii sunt particule elementare, hadronii au o structură internă. Aceștia sunt stări legate de quarkuri și/sau antiquarkuri, pe care forța tare mediată de gluoni îi constrânge într-o regiune limitată (''quark confinement''), în interiorul căreia ei sunt practic liberi (''asymptotic freedom''). Mezonii sunt compuși dintr-un quark și un antiquark <math>\left( q \bar q \right)</math>. Barionii sunt compuși din trei quarkuri <math>\left( q q q \right)</math> iar antibarionii din trei antiquarkuri <math>\left( \bar q \bar q \bar q \right)</math>. Varietatea de arome și culori permite combinațiile incolore cu sarcină electrică și stranietate corecte corespunzătoare mezonilor de spin 0 și barionilor de spin 1/2 și 3/2 cunoscuți, care se grupează în supermultipleții SU(3) (octet, decuplet) preziși de calea octuplă.<ref>Griffiths, pp. 40–43.</ref>
{{clear}}
{| class="wikitable" style="float:right; margin-left:1em; background:#FFFFFF;"
|-
! Octetul mezonilor de spin 0
! Octetul barionilor de spin 1/2
! Decupletul barionilor de spin 3/2
|-
| align=center | [[Fișier:Meson-octet.svg|300px]]
| align=center | [[Fișier:Baryon-octet.svg|300px]]
| align=center | [[Fișier:Baryon-decuplet.svg|300px]]
|}{{clear}}

==Dincolo de modelul standard==

Confirmarea experimentală a bosonului Higgs a consacrat modelul standard ca realizare de care cercetări ulterioare vor trebui să țină seama.<ref>Griffiths, p. 401.</ref> Există indicații experimentale și speculații teoretice privitoare la fizica particulelor elementare {{ill|en|Fizica dincolo de modelul standard{{!}}dincolo de modelul standard|Physics beyond the Standard Model}}.<ref>Joseph D. Lykken: ''[https://arxiv.org/pdf/1005.1676 Beyond the Standard Model]'', Fermilab, 2011 (accesat la 2 martie 2017)</ref>

Existența a trei (și probabil nu mai mult de trei) generații de quarkuri și leptoni, ca și proprietățile bosonului Higgs (în particular privitor la interacția cu gravitația)<ref>Veltman, p. 306.</ref>, sunt probleme deschise pentru experimentatori. Instalațiile existente (ca [[Large Hadron Collider]]) sau proiectate (ca [[International Linear Collider]])<ref>Sebastian Anthony: ''[https://www.extremetech.com/extreme/158480-new-19-mile-long-international-linear-collider-will-investigate-the-higgs-boson-dark-energy-multiple-dimensions New 19-mile-long International Linear Collider will investigate the Higgs boson, dark energy, multiple dimensions]'', ExtremeTech, 13 iunie 2013 (accesat la 1 martie 2017)</ref><ref>Dennis Normile: ''[http://www.sciencemag.org/news/2016/01/japan-hopes-staff-host-international-linear-collider Japan hopes to staff up to host the International Linear Collider]'', [[Science]], 7 ianuarie 2016 (accesat la 1 martie 2017)</ref> se speră că vor aduce clarificări în această direcție.<ref>Veltman, pp. 304–308.</ref> Asimetria materie/[[antimaterie]] și [[materia întunecată]], care umple cea mai mare parte din [[Univers]] și nu simte forța electromagnetică, sunt alte mistere, explorate prin observații și experimente la scară galactică, terestră și în acceleratoare.<ref>Griffiths, pp. 414–417.</ref>

Pe plan teoretic, ''{{ill|en|marea teorie unificată|Grand Unified Theory}}'' (GUT) propusă de Glashow prin unificarea interacțiunilor electromagnetică, slabă și tare, ca manifestări ale unei singure forțe, are defectul că ar prezice un proton instabil (fie și cu o viață medie mai mare de 10<sup>33</sup> ani).<ref>Griffiths, pp. 405–408.</ref> O unificare a celor patru interacțiuni fundamentale, care ar produce ''[[teoria întregului]]'' (ToE) este iluzorie, câtă vreme nu există o teorie cuantică satisfăcătoare a gravitației.

Alte teorii care trec dincolo de modelul standard sunt [[Supersimetrie|supersimetria]] și [[teoria coardelor]]. [[Martinus Justinus Godefriedus Veltman|Martinus Veltman]] le comentează în cuvintele: „...&nbsp;ideile teoretice trebuie să fie susținute de fapte experimentale. Nici supersimetria nici teoria coardelor nu satisfac acest criteriu. Ele sunt invenții ale gândirii teoretice”<ref>Veltman, p. 308.</ref>, și adaugă un citat din [[Wolfgang Pauli]]: 
„Nu numai că nu e corect, nu e nici măcar fals!”<ref>R.E. Peierls: ''[http://rsbm.royalsocietypublishing.org/content/roybiogmem/5/174.full.pdf Wolfgang Ernst Pauli. 1900-1958]'', Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society, Vol. 5, pp. 174–192, 1960 (accesat la 4 martie 2017)</ref>

== Note ==

<references />

== Bibliografie ==
* David Griffiths: ''Introduction to Elementary Particles'', Second Revised Edition, WILEY-VCH, 2010. ISBN 978-3-527-40601-2
* Martinus Veltman: ''Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics'', World Scientific Publishing, 2003. ISBN 981-238-148-1
* S. Gasiorowicz and P. Langacker: ''[http://www.sns.ias.edu/~pgl/pub/E27.pdf Elementary Particles in Physics] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20160508101813/http://www.sns.ias.edu/~pgl/pub/E27.pdf |date=2016-05-08 }}'', University of Pennsylvania, 2005 (accesat la 4 martie 2017).

== Lectură suplimentară ==
* Nari Mistry: ''[https://www.classe.cornell.edu/rsrc/Home/Outreach/TeachingResources/Brief_Intro_to_HEP1.pdf A Brief Introduction to Particle Physics]'', Cornell University, 2012 (accesat la 4 martie 2017).
* [[Leon Lederman]]: ''The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?'', Dell Publishing, 1993. ISBN-13: 978-0385312110  ISBN-10: 0385312113.

== Vezi și ==
* [[Cromodinamică cuantică]]
* [[Electrodinamică cuantică]]
* [[Interacțiunea electroslabă]]
* [[Glosar de fizica particulelor elementare]]

== Legături externe ==
* SLAC Particle Data Group: ''[http://www.slac.stanford.edu/library/pdg/hepinfo.html Online Particle Physics Information]'' (accesat la 5 februarie 2017)
* K.A. Olive et al. (Particle Data Group): ''[http://pdg.lbl.gov/ The Review of Particle Physics (2015)]'' (accesat la 5 februarie 2017)
* R. D. Field: ''[http://www.phys.ufl.edu/~rfield/cdf/HEP_su01.pdf Elementary Particle Physics]'' (accesat la 5 februarie 2017)
* Julian Oliver: ''[https://julianoliver.com/share/free-science-books/49.pdf Elementary Particle Physics in a Nutshell] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20170205182628/https://julianoliver.com/share/free-science-books/49.pdf |date=2017-02-05 }}'' (accesat la 5 februarie 2017)
* Fermilab: ''[http://news.fnal.gov/wp-content/uploads/higgs-boson.pdf What is a Higgs boson?]'' (accesat la 5 februarie 2017)


{{Ramurile fizicii}}
{{particule}}

{{Control de autoritate}}
[[Categorie:Fizica particulelor| ]]