12 partículas da matéria

Física de Partículas

A Física de partículas nos permite saber quais são os constituintes da matéria e suas interações. Ao longo do século 20, os físicos e especialmente os matemáticos têm desenvolvido um modelo que explica o universo observável e, em particular matéria e suas interações, este modelo é chamado "modelo padrão". As partículas elementares da matéria e suas interações foram construídas após Big Bang e as quatro forças conhecidas ou interações são a interação forte, a interação fraca, o eletromagnetismo e a gravidade. O Modelo Padrão não descreve a quarta interação, a interação gravitacional.
Quais são essas partículas e como eles interagem uns com os outros ?
No mundo das partículas subatômicas que compõem a matéria, podemos manipular as energias as menores da natureza ( eV) e comprimentos muito curtos, da ordem de 10^-15 a 10^-17 metros, bem abaixo da cintura um átomo que é 10^-10 metros, mas sabe-se que um átomo é composto em 99,99% de vazio. As partículas não são visíveis, mas no entanto eles são detectáveis ​​se aplica a energia suficiente, da ordem de giga electrões volt (GeV). Energia e massa são dois aspectos do mesmo fenômeno, de acordo com a famosa equação de Einstein (E = mc2), a massa pode ser convertida em energia e vice- versa. Devido a esta equivalência, a massa e energia podem ser medidos com a mesma unidade. Ao nível da física de partículas, é o electrão-volt (eV). No modelo padrão as partículas elementares da matéria são 12 em número, os seis quarks, os três elétrons e equivalentes e os três neutrinos. As leis de simetria chamada também invariância, introduzido em física antes de 1964 não pode ser validadas que se as partículas elementares não têm massa inercial.

Isto coloca um problema, porque se como o fóton, as partículas não têm massa, Em seguida eles possam viajar à velocidade da luz. E o universo não pode conter matéria que é na forma de radiação, em seguida, as partículas não podem se associar nos núcleos. É aqui, intervém o mecanismo de Higgs que dá uma massa às partículas elementares e preservando, assim, as leis físicas da simetria. Partículas adquirem massa através da interação com o campo de Higgs que permeia todo o espaço. Como muitas vezes acontece na ciência há muitos precursores de uma teoria e é o mesmo para o mecanismo de Higgs, os precursores são Philip Warren Anderson, Yoichiro Nambu, Julian Schwinger, Robert Brout, François Englert, mas Peter Higgs que melhor descreve o mecanismo e, especialmente, o próprio Higgs. O co-descobridor do mecanismo de Higgs são Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen, Thomas Walter Bannerman Kibble. Este mecanismo foi feita pelo Steven Weinberg, Abdus Salam e Sheldon Glashow para criar o modelo padrão.

N.B.: energias manuseadas do LHC, a energia total liberada é de 14 TeV (14 x 10¹² eV). No entanto, se converter esse valor em joules, é uma quantidade muito pequena de energia:
1 eV = 1,60217653 x10^-19 J.
14 TeV = 22,4 x10^-7 J.
Em comparação, a energia liberada pela queda de uma pedra de 1 kg caindo de uma altura de 1 m, é de 9,8 joules, ou 10 milhões de vezes a energia manipulada pelo LHC. Mas a energia do LHC está concentrada em um pequeno feixe de elétrons, o que é considerável.

Image : Simulação de colisões de partículas. As partículas não são visíveis, mas no entanto eles são detectáveis ​​se aplica uma energia suficiente, da ordem de giga electrões volt (GeV). Energia e massa são dois aspectos do mesmo fenômeno, de acordo com a famosa equação de Einstein (E = mc2), a massa pode ser convertida em energia e vice-versa. Devido a esta equivalência, massa e energia podem ser medidos com a mesma unidade. Ao nível da física de partículas, é o electrão-volt (eV).

O mecanismo de Higgs

O mecanismo de Higgs dá massa a todas as partículas elementares, mas nada é dito sobre a massa do próprio bóson de Higgs, só sabemos que ele tem uma massa entre 2 GeV e 1000 GeV, que é extremamente vago. Uma partícula pode ser observado em um detector, que energia maior ou igual a sua própria massa. O bóson de Higgs não foi observado no detector LEP (Large Electron Positron Collider), pois o poder do colisor (114 GeV) não é suficiente para abrir o Higgs.
Era, portanto, necessário substituir o LEP pelo LHC (Large Hadron Collider), um colisor muito mais poderoso 7000 GeV ou 7 TeV. LEP foi dissolvida no Outono de 2000 e é com o LHC, operacional desde 10 de setembro de 2008, que os cientistas esperavam encontrar o bóson de Higgs.
Em 4 de julho de 2012 a descoberta foi anunciada e 14 de Março de 2013, o CERN (Conselho Europeu para Pesquisa Nuclear) emitiu um comunicado no qual afirmou que o novo bóson descoberto "parece cada vez mais a um" bóson de Higgs mesmo que ainda não é certo que é o bóson de Higgs do modelo padrão. Sabemos agora que o bóson de Higgs tem uma massa de 126 GeV como Atlas e CMS, dois dos quatro experimentos principais (Atlas, CMS, Alice e LHCb) foram observados independentemente a rodonda dos prótons e deduzir essa propriedade de Higgs Higgs. Um cruzamento de um pacote de prótons é a cada 50 nanossegundos e girando por horas em 1400 pacotes de 2048 prótons em cada direção, os cientistas podem obter algumas colisões interessantes no ponto de 20 microns localizado em cada experimento.
Entre todas as colisões (50 por cruzamento), a maioria não são interessantes porque envolvem muito baixas energias. Depois de várias reinjeção de pacotes para compensar o desgaste (prótons destruído por colisões) , os computadores vão classificar os eventos interessantes para oferecer-los a análise.

Em 2011 e 2012, cerca de 1 015 colisões foram produzidos pela experiência (experiência é o termo usado para nomear colisões observatórios que são detectores de partículas ATLAS, CMS, Alice e LHCb). A zona de passagem, que permite que as colisões, tem um comprimento de 7 cm e um diâmetro de 20 microns.
Em 1993, o ministro britânico da ciência William Waldegrave lança um challenge para ter uma explicação a mais simples possível do campo de Higgs e do bóson de Higgs. Foi David Miller (CERN), que ganhou o challenge propondo o seguinte cenário:
Em uma reunião de físicos, os hóspedes preencher todo o espaço de maneira uniforme, como o campo de Higgs preenche todo o espaço. David Miller representa por esta image o conceito de vácuo quântico que não é vazia, mas onde ocorrem flutuações de energia, as partículas virtuais podem interagir com partículas reais. Foi então que na sala vai Einstein que simboliza uma partícula elementar livre de seus movimentos, sua massa inercial é zero. À medida que avança no sala (vácuo quântico), as pessoas (partículas virtuais) se aglomeram em torno dele e é difícil empurrar, adquire uma massa inercial. Então temos a imagem do vácuo que se condensa em torno de uma partícula.
O mecanismo de Higgs é precisamente a condensação de vácuo em torno de uma partícula que interage com o campo de Higgs, o que lhe confere uma massa. Suponha que isso não é Einstein que entra no sala, mas um rumor que se espalhou (uma energia de 126 GeV), então os físicos ainda vai agrupar em torno do rumor para ouvir. Essa massa de pessoas que transportam o rumor é o bóson de Higgs que adquire uma massa (126 GeV).
Cenário CERN.

Imagem: o bóson de Higgs, a imagem ampliada.

Imagem: o campo de Higgs.

Imagem: a massa da partícula.

12 partículas da matéria

os ambos tipos de partículas da natureza são os férmions e os bósons. A matéria que compõe os objetos que nos rodeiam é feito de férmions. Os férmions são partículas de spin 1/2, eles são associais, em outras palavras, eles se recusam a reduzir seu espaço de vida, é por isso que a matéria não é compressível e que podemos caminhar sobre o chão. Por contras os bósons são as partículas com spin inteiro que são sociais. Eles gostam de se misturar como a luz se mistura com a luz que é composta de fótons, que são bósons.
O Modelo Padrão descreve com sucessos três dos quatro interações fundamentais : a interação forte, a interação fraca e interação eletromagnética. A tabela de partículas contém 12 partículas elementares (férmions) classificadas em três gerações da matéria, matéria que nos rodeia faz parte da primeira geração. Os 12 partículas elementares da matéria são, os seis quarks (Up, Charm, Top, Down, Strange, Bottom) os três elétrons (elétron, múon, tau) e os três neutrinos (elétron, múon, tau). Quatro dessas partículas elementares são suficientes, em princípio, para construir o mundo que nos rodeia : os quarks up e down, o elétron eo neutrino do elétron. Outros são instáveis ​​e desintegram-se para se juntar a estas quatro partículas. Os bósons são os mensageiros que transmitem informações de diferentes interações (forças). O fóton é a partícula mediadora da interação eletromagnética. O glúon é o mensageiro da interação nuclear forte pela estruturação da matéria. Eles confinam os quarks juntos ligando fortemente. O bóson Z0 é um dos bósons de calibre da interação fraca é a partícula portadora da interação fraca, o outro sendo o bóson W ± que tem dois estados opostos de cargas elétricas .

N.B.: A maioria dos fenômenos que nos rodeiam é devido à interação eletromagnética, o mediador da força eletromagnética é o fóton. O fóton é luz visível, ondas de rádio, raios ultravioleta, raios-X, raios gama que enchem nosso ambiente diário. Os fótons são "pacotes" de energia elementares ou quanta de radiação eletromagnética, que são trocados durante a absorção ou emissão de luz pela matéria.

Imagem: Tabela de partículas elementares do Modelo Padrão classifica os férmions, os 12 constituintes da matéria (elétron, múon, neutrino e quarks) e bósons vetoriais das interações (forças). Os bósons vetoriais também são partículas que carregam as interações fundamentais. A geração de partículas II e III têm as mesmas propriedades que a geração de partículas I, mas são muito mais pesadas​​. Inicialmente, ao período de Big Bang, todas estas partículas coexistiram, mas partículas pesadas desintegrou-se em partículas ligeiras. Hoje nós não encontramos na natureza, geração de partículas pesadas II e III, somente os aceleradores são capazes de as gerar temporariamente. Antimatéria nesta mesa está faltando desapareceu em favor de partículas, cada partícula tem sua antipartícula. O Modelo Padrão não descreve a interação gravitacional.
Crédito imagem MissMJ Wikimedia Commons.

Imagem: Os tamanhos das partículas de material. O protão é formado de 2 quark u e 1 quark d, a carga de protão, por conseguinte, é de +2/3 + 2/3 -1/3 é +1, enquanto o nêutron é formada de 2 quark d e 1 quark u, a carga do nêutron é, portanto -1/3 -1/3 +2/3 é 0. A força eletromagnética liga os elétrons para o núcleo. Ela permite que os átomos que formam moléculas. Esta força é sentida pelos quarks e léptons, é transportada por fótons.