QuarciiQuarcii

Denumirea de quarci a luat natere n anul 1964 cnd Murray Gell-Mann iGeorge Zweig au sugerat faptul c sute de particule cunoscute pn atunciar putea fi explicate ca i combinaii de doar trei particule fundamentale.

Gell-Mann a ales numele de quark, pentru aceste treiparticule, un cuvnt fr sens folosit de ctre James Joyce n romanul Finnegans Wake (Trezirea luiFinnegan): Trei cuarci pentru Muster Mark!"

Etimologia este de la verbul englez to quark care nseamn a cloncni, a cri i vine de la dialectul quark care nseamn a cri ca o pasre

Quarcii sunt constituenii fundamentali ai materiei care prin combinaii specifice formeaz protoni sau neutroni i alte particule grele. Acetia nu pot exista independenti sunt gsii sub form confinat n grupuri de doi sau trei (n stri legate) n interiorul unor particule compozite numite hadroni, prin fore tari. Ca urmare, nu putem msura masa lor n mod independent. Totui masa hadronilor poate fi evaluat din experimente de mprtiere. Astfel, masa hadronului primete contribuii de la energia cinetic i potenial a quarcilor datorat interaciunilor tari. Aceast contribuie este foarte mic; de exemplu, masa unui proton eset de 0.938 GeV/c2, iar suma maselor celor doi quarci, unul up i unul down este n total 0.02 GeV/c2.

n momentul actual sunt cunoscui ase quarci. Fiecare quarc este caracterizat de o arom (set de numere cuantice). Punerea lor n eviden a fost fcut n trei generaii:

up (sus) i down (jos)charm (farmec) i strange (ciudat)top (deasupra) i bottom

(dedesubt) Pentru fiecare din aceti quarci exist un antiquarc corespunztor. Quarcii au o caracteristic neobinuit: sarcin electric fracional

poart un alt tip de sarcin, numitsarcin de culoare. Fiecare din cei ase quarci au trei culori diferite.

31

32

(

,

Proprieti ale quarcilorgeneraia izospin slab aroma nume simbol sarcina Masa

(MeV/c2)

1 +1/2 Iz=+1/2 up u +2/3 1.54.0

1 -1/2 Iz=-1/2 down d -1/3 48

2 -1/2 S=-1 strange s -1/3 80130

2 +1/2 C=1 charm c +2/3 11501350

3 -1/2 B'=-1 bottom b -1/3 410044003 +1/2 T=1 top t +2/3 17090018

00

Culoarea, n fizica particulelor elementare, este un concept al interaciunii tari, analog sarcinii n interaciunile electromagnetice. Acest proprietate de culoare a fost introdus pentru a eticheta quarcii, permind ca aparent quarci identici s existe n aceeai particul, ca de exemplu, doi quarci up i unul down s existe n proton. Aceast proprietate face ca trei particule s coexiste i s satisfac principiul de excluziune al lui Pauli.

Aceast proprietate trebuie s aib trei valori (treisarcini de culoare: rou(r), verde(g) i albastru(b)).

Cele trei culori, rou, verde i albastru pot forma lumina alb, astfel c, combinaia lor poate forma particule fr culoare

Termenul de culoare a quarcilor desemneaz, de fapt, stri cuantice distincte, numai starea de culoare neutr fiind permis pentru ca forele s fie atractive. Antiquarcii au anticulori (exemplu, mezonii sunt formai din perechi quark-antiquark).

Proprietati fundamentale ale quarcilorse supun interaciunii tariau sarcini electrice fracionare: 1/3, 2/3formeaz dublete n interaciunile slabeau asociat o culoare i formeaz triplei n interaciunile tari.

BosoniiStatistica Bose-Einstein determin distribuiile statistice ale particulelor identice de spin ntreg (0, 1, 2, 3,..) numite bosoni, peste strile de energie ale sistemelor aflate n echilibru termic.

Bosonii, spre deosebire de fermioni, nu se supun principiului de excluziune al lui Pauli, adic un numr nelimitat de particule pot ocupa aceeai stare cuantic n acelai timp. Acest lucru explic faptul c, la temperaturi joase, bosonii difer foarte mult de fermioni, putnd colapsa n aceeai stare de energie de valoarea cea mai joas, formnd stri condensate Bose-Einstein

Pentru un numr de particule ni cu strile de energie i, statistica Bose-Einstein este:

1e

gnkT

)E(i

i Fi

=

ni este numrul de particule n starea de energie i, gi este gradul de degenerare al strii (densitatea de stri), EF este energia nivelului Fermi (valoarea maxim a energiei pe care o poate lua un sistem de fermioni, la temperatura de zero absolut).k constanta BoltzmannT temperatura.

n general, statisica Bose-Einstein se aplic atunci cnd efectele cuantice sunt luate n considerare i particulele sunt indiscernabile. Efectele cuantice apar cnd concentraia particulelor este mai mare dect concentraiile cuantice. Concentraiile cuantice apar cnd distana interparticule este egal cu lungimea de und de Broglie, adic atunci cnd funciile de und ale particulelor se ating, dar nu se suprapun. Prin urmare, dac avem doi bosoni, 1, 2, indiscernabili, acetia vor fi descrii de o funcie de und care este simetric la schimbarea particulelor:

Interschimbul maximului si minimului a probabilitatii de distributie

2112 21

bosonii nu sunt constrni s se supun principiului de excluziune Pauli

Bosoni fundamentali(gauge)

Nume Simbol Antiparticula Sarcina(e)

Spin Masa(GeV/c2)

Interaciuneaintermediat

Photon aceiai 0 1 0 electromagnetic

W boson W W+ 1 1 80.4 slab

Z boson Z aceiai 0 1 91.2 slab

Gluon g aceiai 0 1 0 tare

Higgs boson

H0 aceiai ? 0 0 > 112 electroslab

Graviton G aceiai 0 2 0 gravitaional

particul elementar din categoria bosonilor (spin = 1) care constitue cuanta de schimb n interaciunile electromagnetice.

Fotonul

proprieti duale (und-particul)- energia implicat n procesele de interaciune

hhcE == Domeniul de variaie a lungimii de und caracterizeaz spectrul electromagnetic al interaciunilor

Domeniu Lungimeade und ()

Lungimea de und (cm)

Frecvena (Hz) Energia(eV)

Radio > 109 > 10 < 3 x 109 < 10

Microunde 109 -106 10 -0.01 3 x 109 - 3 x 1012 10-5 -0.01

Infrarou 106 -7000 0.01 - 7 x 10-5 3 x 1012 - 4.3 x 1014 0.01 - 2

Vizibil 7000 - 4000 7 x 10-5 - 4 x 10-5

4.3 x 1014 -7.5 x 1014 2 - 3

Ultraviolet 4000 - 10 4 x 10-5 - 10-7 7.5 x 1014 -3 x 1017 3 - 103

Radiaii-X 10 - 0.1 10-7 -10-9 3 x 1017 -3 x 1019 103 - 105

Radiaii gama < 0.1 < 10-9 >3 x 1019 > 105

Viteza fotonilor n vid este c = 3108 m/s, iar energia E i impulsul sunt corelate prin relaia pcE = kp h=

2

=kSpinul este 1, sarcina zero, iar elicitatea este 1corespunznd celor dou posibiliti de polarizare circular (polarizare dreapta +1, respectiv polarizare stnga).Boson etalon (gauge)- caracterizat de invariantul de mas (energia i impulsul sunt aceleai n orice sistem de referin)

Bosonii W i Z0

Bosonii W i Z sunt particule elementare care mediaz forele slabe (weak W; W+ este antiparticula bosonului W- , Z0 sarcina zero). Au spinul 1 i sunt particule etalon (gauge) decicaracterizate de invariantul de mas. Viaa medie a acestor particule este foarte mic, n jur de 310-25 sau fost teoretizate de S. Glashow, S Weinberg i A. Salam n 1968 n teoria de unificare a interaciunilor electromagnetice i slabe n teoria etaloanelor (gauge) SU(2)Masa acestor bosoni etalon este de 80.4 GeV/c2pentru W i 91.2 GeV/c2 pentru Z0 i care este mai mare cu circa dou ordine de mrime (100 ori) dect masa protonului (care este 938.27 MeV/c2 0.93827 GeV/c2) i, ca urmare, limiteaz foarte mult raza de interaciune slab.

Descoperirea experimental - n 1983 au fost puse n eviden de ctre Carlo Rubbia i van der Meer, la CERN (Conseil Europen pour la Recherche Nucleaire), Geneva.

Bosonul W apare in procesele de dezintegrare nuclear

eeNiCo ++60

286027

Acest proces nu implic ntreg nucleul de cobalt-60, ci doar unul din cei 33 de neutroni

eepn +++0

Neutronul ns nu este o particul elementar, ci este compus dintr-un quark up i doi down (udd). Deci unul dintre quarcii down formeaz protonul rezultat (uud)La nivel fundamental, interaciunea slab schimb aroma (flavour) unui singur quark

+ Wudurmat de dezintegrarea imediat (10-25 s) a bosonului W-

eeW +

Bosonul W poate schimba generarea de particule; ex: trecerea unui quark d sau c n quark u

Bosonul Z0 fiind propria sa antiparticul, are toate numerele cuantice zero i nu schimb generarea sau aroma particulelor emise. Practic, bosonul Z0 mediaz transferul de impuls n interaciunile slabe. Acest proces de transfer mediat de bosonii Z poart numele de interaciune de curent neutru

Gluonii

Gluonul g (glue-lipici)- particul elementar etalon - boson vectorial-intermediaz interaciile tari dintre quarci prinfore de culoare- formeaz particule compozite (hadroni)-are masa de repaus nul-spinul S=1-neutru din punct de vedere electric-limita de interaciune; 10-15 m (dimensiuneanucleului)

Quarcii i gluonii sunt totdeauna legai n hadroniprin interaciuni gluon-gluon constrnse ntr-un cmp de culoare conducnd la confinareahadronilor. Consecina a confinrii hadronilor de ctre gluoni, fac ca acetia s nu fie implicai direct n forele nucleare, ci prin intermediul unor particulecompozite - mezoni

Gluonii pot exista ca entiti n sine n hadroniformai numai din gluoni mingi de gluoni(glueballs). n astfel de hadroni (hadroni exotici), gluonii sunt constituieni primari. Aceste structuri energetice sunt extrem de dificil s se identifice n acceleratoare de particule , deoarece acestea se amestec cu stri ordinare ale mezonilor.

n cromodinamica cuantic, aceast faz aflat la presiuni i temperaturi extreme este plasma quark-gluon. n aceast plasm nu exist hadroni ci doar quarci i gluoni liberi.

O astfel de stare a fost pus n eviden la RHIC ( Relativistic Heavy Ion Collider) BNL

Gluonii particule de schimb n interaciunile tari schimbarea culorilor quarcilor .n cromodinamica cuantic- teoria etaloanelor (gauge) SU(3) descrirea interaciunii impune existena a 3x3=9 funcii de und (care corespund combinaiilor celor 3 culori i 3 anticulori ale cuarcilor):

Funciile de und se obin prin combinaii formnd un octet i un singlet, care constituie setul de generatori n grupul SU(3)

Oct

et

sing

let

Fr culoare ca i fotonul din interaciunile electromagnetice

Matricile asociate celor trei culori sunt:

Aadar exist numai 8 combinaii ale culorilor gluonilor care pot duce la schimbarea culorilor quarcilor

nsi gluonii pot s-i schimbe culoare n interaciunile tari

Bosonul Higgs (H)

Un cmp Higgs este un domeniu de interaciune care ar trebui s fie responsabil de generarea masei ineriale i datorit principiului echivalenei lui Einstein, masagravitaional

ntr-un spaiu vid (vacuum) cmpul Higgs capt o valoarediferit de zero, care permite orice poziionare n univers i norice moment. n fizic, vacuumul este definit ca starea n care toate cmpurile au valoarea cea mai mic posibil. n mod obinuit energia este minim cnd toate cmpurile au componentele zero. n mecanismul Higgs, o parte a cmpuluise combin cu anumite interactiuni pentru a produce bosonietalon, iar restul cmpului Higgs descrie noi particule, numiibosoni Higgs. n interaciunile cu bosonii Higgs se producquarcii i leptonii.

Masa bosonului Higgs se presupune ca fiind ntre 115-180 GeV/c2 astfel ca modelulStandard s fie valabil pe intreg domeniu de energii n scal Planck (n jur de 1.22 1019 GeV corespunzator masei Planck).

n fizica particulelor si cosmologiei fizice , scara Planck este o scar de energie njurul 1.22 1028 eV (care corespunde cu masa-energie echivalena la masa Planck,2.17645 10-8 kg) la care efectele cuantice ale gravitaiei devin puternice

Cantitate SI echivalente

timp Planck 5.39121 10-44 s mas Planck 2.17645 10-8 kg

energie Planck 1.22 1028 eV

Masa Planck este o unitate n SUN i care este masa pentru care razaSchwarzschil este egal cu lungimea Compton mprit cu

Kg10176.2c/GeV102209.1Gcm 8219P

==h G constanta gravitaional

(G=6.67428 10-11 m3 Kg-1 s-2

Raza Schwarzschil este o caracteristic a razei unui punct material asociat masei sale. 2S c

mG2r =

Este raza unui punct material n care nu exist fore sau presiuni de degenerare (ex. gaura neagr)

Leon Lederman, The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?

Bosonul Higgs carti de fictiune

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Flashforward_(novel)_Hardback_cover.jpghttp://www.amazon.co.uk/dp/0345462858?tag=opinionatedge-21&link_code=as3&creativeASIN=0345462858&creative=9298&camp=2506

Gravitonul

Gravitonul este un boson de interaciune cu spinul 2 i care corespunde undei fluctuaii cuantice a metricii gravitationale. masa gravitonului fiind nul, distana de aciune este infinit.

n teoria cuantic a gravitaiei (n particular teoria stringurilor), gravitonii sunt, mai degraba stri ale stringurilor dect particule punctuale (unde). ncercarea deteciei gravitonului este corelat cu observarea undelor gravitaionale care pot fi considerate stari coerente de mai muli gravitoni.

Teoria stringurilor este o dezvoltare matematic n fizica teoretic, potrivit creia structurile /particulele elementare sunt obiecte unidimensionale de stringuri (corzi) i nu particule punctuale cu dimensiunea zero. Aceasta teorie este formulat n termeni de principii de aciune care descriu micarea stringurilor n spaiu-timp. Particulele elemetare (leptonii, quarcii, fotonul, etc.) sunt toate de fapt nu niste puncte innitezimale, ci ate minuscule, facute toate din acelasi tip de "material. Acestea, pot fi mai lungi sau mai scurte, de formediferite, in diferite moduri de vibratie etc.Toate ar insafacute din acelasi "material", si ar descrise astfel de aceeasi ecuatie.