1

2.Elementarne čestice

2.1 Povijesni razvitak pojma elementarne čestice

Ideja o najsitnijim, nedjeljivim djelićima materije, koji predstavljaju fundamentalne blokove od kojih je izgrađen univerzum, datira još iz 5. vijeka prije nove ere. Grčki filozofi Demokrit i Leukip su svojom pretpostavkom, da je materija građena od nepropadljivih čestica, osnovali novo filozofsko učenje nazvano atomizam (atomon, grč. ''nedjeljiv'' ). Ovo učenje su podržavali islamski i indijski filozofi kao što su Al Ghazali, Ibn sina, Kanada, Dignaga i Dharmakirti. Ti počeci su se temeljili samo na filozofskom mišljenju, bez eksperimentalnih dokaza.

Teorija o atomima se nije značajno razvijala do 1803. godine kada je John Dalton na osnovu eksperimenata predložio svoje principe atomske teorije. Bitan dokaz o postojanju atoma je 1905. godine pružio Albert Einstein, kada je brownovo kretanje (haotično kretanje sitnih čestica u nekoj tečnosti) tumačio kao posljedicu stalnog sudaranja atoma i čestica prašine. 1911. godine britanski fizičar Ernest Rutherford je napravio značajno otkriće koje će promjeniti naša shvatanja o stvarnom sastavu materije. Rutherford je slao pozitivne čestice kroz zlatnu foliju, iza i pored koje je postavio detektore. Većina čestica je prošlo kroz foliju, ali znatan broj je skrenuo putanju, a neke su se čak i odbile. Primjetivši to na detektoru, Rutherford je zaključio da postoje teška, pozitivna jezgra u atomima koja su nazvana protoni.Nedugo nakon toga otkriven je neutron kao i dvije vrste interakcija – jaka i slaba. Razvojem tehnologije, fizičari su, 50-ih godina, efikasno proučavali unutarnju strukturu čestica pomoću akceleratora, uređaja koji stvaraju visokoenergetske snopove čestica čijim usmjeravanjem dolazi do sudaranja, odnosno raspršivanja čestica na jednostavnije komponente. Do 1970. godine otkriveno je nekoliko stotina subatomarnih čestica, što je bilo haotično i besmisleno za fizičare. Ovaj novootkriveni subatomarni svijet je zbog svoje raznolikosti i broja, dobio nadimak ''zoološki vrt čestica''. Na početku istraživanja, naučnici su smatrali da otkrivaju elementarne čestice, ali povećavanjem broja novootkrivenih čestica fizičari su počeli sumnjati u njihovu elementarnost.

Elementarne čestice definišemo kao čestice koje nemaju unutarnju građu, odnosno one koje se ne mogu razložiti na jednostavnije, elementarnije, čestice.

2

Ispostavilo se da većina otkrivenih čestica imaju unutarnju građu, uglavnom od kvarkova (kvarkovima ću se detaljnije posvetiti), pa su se elementarne svele na samo desetak.

3

2.2 Podjela elementarnih čestica

Podjela elementarnih čestica prema masi

Fizičari su zbog velikog broja novootkrivenih čestica izvršili klasifikaciju po određenim kriterijima. Najjednostavnija podjela je izvršena prema masi:

1. Leptone (grč. leptos – lagahan)

2. Mezone (grč. mezos – srednji)

3. Barione (grč. baros – težak)

Vremenom je ovakav način klasifikacije ukazao na nekoliko grešaka, zahtijevajući time novu, jasniju podjelu.

Podjela elementarnih čestica prema međudjelovanja

Ova podjela se bazira na dvije grupe čestica, gdje jedna grupa učestvuje u jakoj sili a druga ne. Shodno tome postoje leptoni i hadroni.

Leptoni su čestice koje ne učestvuju u jakoj interakciji sa spinom od 12 . U

ovu grupu spada 6 elementarnih čestica.

Tabela 1. Leptoni

Naziv čestice Simbol Masa (MeV)Električni naboj (

e=1.602×10−19 C

Vrijeme života Spin

Elektron e−¿¿ 0.511 -1e ¿2 ∙1022 god 1/2

Taon τ−¿¿ 1784 -1e (4,6 1,9) ∙10−13 1/2

Mion μ−¿ ¿ 105.7 -1e 2,197 ∙10−6 1/2

Elektronski neutrino

ve < 46 eV 0 ∞ 1/2

Taonski neutrino

vτ < 250 0 ∞ 1/2

Mionski neutrino

vμ < 0.52 0 ? 1/2

4

Hadroni su složene čestice koje međudjeluju jakom silom i koje su sačinjene od kvarkova . Oni predstavljaju najteže čestice u subatomarnom svijetu. Hadroni se dijele na mezone i barione.

Mezoni su čestice cjelobrojnog spina (0,1,2...), a grade ih kvark-antikvark parovi. Najpoznatiji mezon je pion koji ima važnu ulogu u održavanju cjelovitosti jezgre u atomu.

Tabela 2. Mezoni

Naziv čestice Simbol SastavElektrični

nabojMasa (MeV)

Vrijeme života (s)

Spin

π- mezon(pion)

π±

π0 ud ±1e0e

139,6135

2,6 ∙10−8

0,83 ∙10−10 0

K- mezon(kaon)

K±

KS0

K L0

usdsds

±1e0e0e

493,7497,7497,7

1,2 ∙10−8

0,9 ∙10−10

5,2 ∙10−8

0

η- mezonη0

η0 '0e0e

548,8958

>10−18

?0, 1, 2...

ρ- mezonρ±

ρ0

uduudd

1e0e

770770

4,4 ∙10−24

4,4 ∙10−24 1

ω- mezon ω0 uu, dd 0e 782 0,8 ∙10−22 1

φ- mezon φ ss 0e 1020 20 ∙10−23 1

D- mezon

D±

D0

DS±

cdcucs

±1e0e

±1e

1869,41864,61969

10,6 ∙10−13

4,2 ∙10−13

4,7 ∙10−13

1

Jψ

- mezonJψ

cc 0e 3096,9 0,8 ∙10−20 1

B- mezon

B±

B0

Bs0

budbsb

±1e0e0e

527952795370

1,5 ∙10−12

1,5 ∙10−12

?

0

Y- mezon Y bb 0e 9460,4 1,3 ∙10−20 1

5

Barioni su čestice, koje za razliku od mezona imaju polovičan spin (1/2, 2/3, 3/2...). Njih grade tri kvarka koji razmjenjivaju gluone stvarajući tako stabilnu vezu. U barione spadaju protoni, neutroni i niz drugih čestica.

Tabela 3. Barioni

Naziv čestice Simbol SastavElektrični

nabojMasa (MeV)

Vrijeme života (s)

Spin

Proton(nukleon) p uud +1e 938,3 >1032god 1/2

Neutron(nukleon) n ddu 0e 939,6 925±11 1/2

λ0- hiperon λ0 uds 0e 115,6 2,63 ∙10−10 1/2

Σ- hiperonΣ+¿¿

Σ−¿ ¿

Σ0

uusddsuds

+1e-1e0e

1189,41197,31192,5

6,8 ∙10−10

1,5 ∙10−10

6 ∙10−20

1/2

Δ- hiperon

Δ++¿¿

Δ+¿¿

Δ−¿¿

Δ0

uuuuuddddudd

+1e+1e-1e0e

1232 0,6 ∙10−23 3/2

Ξ- hiperonΞ−¿¿

Ξ0dssuss

-1e0e

13211315

1,64 ∙10−10

2,9 ∙10−10 1/2

Ω- hiperon Ω−¿¿ sss -1e 1672 0,82 ∙10−10 3/2

λ- hiperon λc+¿¿

udc +1e 2281 2 ∙10−13 1/2

6

Podjela elementarnih čestica prema spinu

Spin je kvantnomehanički fenomen koji predstavlja ugaoni impuls čestice. Ova osobina, koju posjeduju čestice, je kvantizirana tj. može poprimiti samo određene vrijednosti koje se označavaju brojevima (0,1/2,2/3...). Prema spinu čestice se mogu podijeliti na fermione i bozone.

Fermioni (Enrico Fermi, - talijanski fizičar po kome su dobili ime) su čestice koje imaju polovičan (1/2, 3/2, 5/2...) spin i koje poštivaju Paulijev princip isključenja. Po principu isključenja dva identična fermiona ne mogu zauzimati istovremeno isto kvantno stanje, odnosno ne mogu imati iste vrijednosti svih kvantnih brojeva. Shodno tome u fermione ubrajamo leptone, kvarkove i barione.

Bozoni su čestice koje imaju cjelobrojan spin (0, 1, 2...). U bozone spadaju prenosnici sila (baždarni bozoni) i mezoni.

2.3 Baždarni bozoni

Baždarni bozoni su čestice koje prenose određenu silu, što znači da sve prirodne sile imaju posebne čestice koje su nosioci osobina tog međudjelovanja.

Fotoni su kvatni elektromagnetskog zračenja. Oni nemaju masu, niti naboja, a vrijednost spina im je 1. S obzirom na činjenicu da nemaju masu, fotoni imaju beskonačan domet djelovanja. Oni su dualne prirode što znači da djeluju kao čestica i kao val. Takvu osobinu pokazuju u različitim fizikalnim fenomenima. Naprimjer, fotoni se ponašaju kao valovi kada je riječ o difrakciji, a kao čestice u fotoelektričnom efektu.

Gravitoni prenose silu gravitacije. Ove čestice još nisu eksperimentalno dokazane ali se na osnovu poznavanja gravitacije mogu pretpostaviti i njihove osobine. Pretpostavlja se da nemaju masu odnosno da su beskonačnog dometa djelovanja, da nemaju naboj i da im je spin 2.

Gluoni su prenosnici jake nuklearne sile. Nemaju naboja ni masu a vrijednost spina im je 1. Gluoni ne mogu postojati samostalno već nastaju samo u interakciji među dva kvarka. Oni povezuju kvarkove u protone i neutrone.

7

Prema teoriji kvantne hromodinamike postoji 8 nezavisnih tipova gluona od kojih svaki može imati najmanje 2 boje. Kolor naboj ili boja je svojstvo gluona i kvarkova koje ima važnu ulogu u jakoj nuklearnoj sili. Zanimljiva karakteristika je što se kvarkovi više udaljavaju jedni od drugih, nuklerna sila postaje jača.

W i Z bozoni su prenosnici slabe nuklearne sile. W bozon može biti pozitivnog ili negativnog naboja dok je Z bozon neutralan. Vikoni (zajednički naziv) su 80-90 puta masivniji od protona. W bozon mijenja vrstu kvarkova dok Z bozon učestvuje u procesu neutralnog toka.

2.4 Kvarkovi

Kvarkovi su subatomarne čestice koje grade protone, neutrone i druge složene čestice (hadrone, mezone, barione..). Oni predstavljaju fundamentalne blokove materije. Model kvarka su predložili 1964. godine američki fizičari Murray Gell-Man i George Zweig. Time su htjeli objasniti unutarnju strukturu hadrona znajući da su hadroni kompozitne čestice. Njihov model sadržavao je tri vrste kvarkova dok je danas poznato 6 vrsta: donji (d), gornji (u), šarmantni (c), strani (s), dubinski (b) i površinski (t).

Kvarkovi spadaju u fermione što znači da imaju spin od 1/2. Naboj kvarkova je polovičan, a može biti 2/3 ili 1/3 što zavisi od vrste kvarka. Kvarkovi u, t i c imaju +2/3 elementarnog naboja, dok d, b i s imaju naboj od -1/3e.

Mase pojedinih kvarkova se drastično razlikuju od drugih. U i d kvarkovi imaju najmanju masu u poređenju sa ostalim kvarkovima što ih čini najstabilnijim među njima. T kvark je daleko najmasivniji. Njegova masa je približna masi atoma zlata. Fizičari se nadaju da će uskoro shvatiti razlog zbog čega je t kvark ovoliko masivan, a time možda i pomoći u otkrivanju porijekla mase elementarnih čestica uopšte.

8

Slika 1. Mase pojedinih kvarkova predstavljene radi upoređivanja u loptama proporcionalnog volumena. U donjem lijevom uglu su prikazani proton i elektron (crveno)

Dodatna osobina kvarkova jeste kolor naboj ili boja (s obzirom da je kvarkove nemoguće vidjeti, ovaj naziv nema veze sa bojama kakve ih mi poznajemo). Kolor naboj igra analognu ulogu električnom naboju, ali s obzirom na kompleksnost kvantne hromodinamike postoje određene razlike. Boja može biti zelena, plava, crvena, i za antikvarkove: anti-zelena, anti-plava i anti-crvena. Svakom kvarku se u nekoj složenoj čestici pripisuje jedna boja. Naprimjer, proton se sastoji od dva u i jednog d kvarka. Svaki kvark u protonu ima različitu boju koje zajedno stvaraju neutralnu ili ''bijelu'' boju koja ih drži na okupu. Zadaća gluona jeste da konstantno mijenja boje među kvarkovima tako što ih ovi razmjenjuju garantirajući tako cjelovitost protona.

Tako U i d kvarkovi grade na jedinstven način protone i neutrone pa su oni, kvarkovi, ustvari najprostije gradivne jedinke našeg univerzuma odnosno materije.

9

3.0 Čestice i antičestice

3.1 Otkriće antičestica

Engleski fizikalni teoretičar i matematičar Paul A. M. Dirac (1902-1985), jedan od najvećih fizikalnih umova svih vremena, sjedinio je 1928. teoriju relativnosti i kvantnu mehaniku postavivši relativističku valnu jednadžbu elektrona odakle je izlazio i spin (moment impulsa) te čestice i fina struktura spektralnih linija vodikovog atoma. Ta teorija predvidjela je postojanje pozitrona (pozitivno nabijeni elektron) i tvorbu parova čestica i antičestica. Dirac je dokazao da za svaku vrstu čestica mora postojati i njezina "slika u zrcalu" - antičestica.

Eksperimentalna potvrda Diracove jednadžbe došla je 1932. godine kada je Anderson pomoću magličaste komore našao pozitrone u kozmičkim zrakama. Nešto kasnije, Blackett i Occhialini otkrili su tvorbu elektron-pozitron parova pomoću gama zraka. Ako mogu postojati pozitroni, mogu postojati i sve druge antičestice, odnosno antimaterija u Svemiru. Tako je Dirac 1933. godine dobio, zajedno sa E. Schrödingerom, Nobelovu nagradu za fiziku, "za otkriće novih oblika atomske teorije".

3.2 Razlika između čestica i antičestica

10

Suvremena teorija nam govori da svaka čestica ima svoju antičesticu, dakle česticu iste mase i spina, ali suprotnog naboja. Simetrija obzirom na pozitivan i negativan naboj jedan je od temeljnih zakona prirode i opažena je pri gotovo svim elementarnim česticama.

Osim naboja, čestice i antičestice razlikuju se i po cijelom nizu drugih svojstava: leptonski broj, barionski broj, stranost, itd. Svojstva koja su identična kod čestica i antičestica jesu: masa, spin, vrijeme raspada, itd. Postoje čestice koje su potpuno neutralne i u tom slučaju su antičestice i čestice jednake (npr. foton i antifoton su jedno te isto, pa kažemo da je foton ujedno svoja antičestica). Općenito: antineutrino je antičestica neutrina, antiproton je antičestica protona itd.

Prikaz pljuska kozmičkih zraka iz Svemira, prirodnih izvora antičestica. (Courtesy CERN.)

Antimaterija se sastoji od antiprotona, antineutrona i antielektrona (pozitrona). Dakle, atomske jezgre antimaterije su negativno nabijene, a oko njih kruže pozitivno nabijeni pozitroni. Sigurno se pitate koja je razlika između neutrona i antineutrona s obzirom na to da neutron nije električki nabijen. Radi se o tome da je neutron sastavljen od kvarkova, a antineutron od antikvarkova. Kvarkovi i antikvarkovi imaju suprotne naboje bez obzira što je njihov zbroj u oba slučaja jednak nuli.

11

Spomenimo na kraju i ideju američkog fizičara Johna Wheelera da se pozitron može interpretirati kao elektron koji putuje unatrag u vremenu, što je matematički razradio Richard Feynman i za to dobio Nobelovu nagradu 1965. godine.

3.3 Tvorba parova čestica-antičestica

Diracova teorija uvodi i nova shvaćanja o praznom prostoru. On odbacuje zamisao o vakuumu kao apstraktnom ništavilu. Prazan prostor koji ne sadrži nikakve čestice još uvijek nije "ništa" već ima fizikalna svojstva. On se može polarizirati tako da se iz njega istrgnu elektroni, a "rupe" koje pri tome izbijanju elektrona nastaju jesu pozitroni. Vakuum je nabijen mnoštvom virtualnih čestica i antičestica koje se mogu pojaviti praktično ni iz čega i potom se u najmanjem djeliću vremena natrag anihilirati (poništiti). (Što su čestice teže to će se prije anihilirati.) Ovakav proces je moguć zbog Heisenbergovog načela neodređenosti.

Virtualne čestice ne mogu se izravno zamjetiti detektorima čestica, ali one imaju neizravne učinke (npr. tzv. Lambov pomak spektralnih linija vodikovog atoma). Ako se osigura određena količina energije izvana, tada virtualna čestica može postati stvarna.

Mali pljusak kozmičkih zraka od pozitivnih i negativnih elektrona. (Copyright by CalTech)

12

Anihilacijski proces može također ići i obrnuto: dva fotona s dovoljno energije mogu se sudariti i proizvesti elektron-pozitron par gdje su energije fotona pretvorene u mase elektrona i pozitrona. Energija svakog fotona mora nadmašivati "energiju mirovanja" mc^2 elektronove, odnosno pozitronove mase.

3.4 Gdje je antimaterija?

Zašto u Svemiru imamo veliku količinu materije, i praktično nikakvu količinu antimaterije? Zašto se materija i antimaterija nisu anihilirale odmah čim su bile stvorene u Velikom Prasku? Pošto se procesima tvorbe parova uvijek stvara jednak broj čestica i antičestica možemo se pitati gdje su sve te antičestice? Postoji li čitav Svemir sastavljen od antimaterije? Da li su možda neki drugi dijelovi Svemira, neke daleke galaktike, sačinjene od antimaterije? O tome kako je došlo do viška materije nad antimaterijom diskutirali smo ovdje.

Kada bi u našoj galaktici postojala prostrana područja antimaterije, očekivali bismo zamijetiti velike količine zračenja iz graničnih područja materije i antimaterije, gdje bi se mnoge čestice sudarale sa svojim antičesticama, anihilirajući se međusobno i odašiljući zračenje visoke energije. (U kasnim 1950-ima određeno je da je količina antimaterije u našoj galaktici manja od jednog stomilijuntog dijela.) S druge strane, teško je zamisliti da bi neke galaktike bile sastavljene isključivo od materije, a druge isključivo od antimaterije.

Anhilacija mnoštva elektrona i pozitrona blizu centra naše galaktike, Mliječne staze, u velikom novootkrivenom oblaku antimaterije koji se prostire nekoliko tisuća svjetlosnih godina iznad galaktičkog centra. Najsvijetliji dijelovi odnose se na jezgro galaktike, a horizontalna struktura leži uzduž ravnine galaktike. Anihilacija stvara visoko energetske gama-zrake, prikazane na ovoj slici. (Courtesy of D.D. Dixon and W.R. Purcell)

13

Ipak, nije posve isključeno da je negdje u Svemiru situacija obrnuta: da su atomske jezgre nabijene negativno, a oko njih se vrte pozitroni. Spektri takvih atoma bili bi potpuno identični onima obične materije. Ako bi postojao izolirani sistem antimaterije u Svemiru koji ne bi bio u međudjelovanju sa običnom materijom, nijedno promatranje sa Zemlje ne bi moglo razlučiti njegov pravi sadržaj. Ipak, danas se snažno vjeruje da je čitav naš Svemir sastavljen uglavnom od materije.

Godine 1998, visoko energetski detektor čestica AMS-01 (Alpha Magnetic Spectrometer) poslan je na Discovery-u u bezuspješnu desetodnevnu misiju otkrivanja eventualne anihilacije, a uskoro će na dugu ruku Međunarodne svemirske postaje biti instaliran njegov nadograđeni i osjetljiviji nasljednik AMS-02 da na nekoliko godina, izložen kozmičkim zrakama, orbitira par stotina kilometara iznad atmosfere i u potrazi za bilo kakvim oblikom kozmičke antimaterije mjeri strujanja nabijenih antičestica i antijezgara.

14

Tragač za antimaterijom

AMS spektrometar instaliran u potpornu konstrukciju (Courtesy CERN)

Izazovi su prvenstveno tehničke naravi: svaka komponenta detektora mora biti minijaturizirana što je više moguće, tako da ukupni volumen detektora ne bude veći od 10 kubičnih metara, a njegova težina mora biti manja od 3 tone. Također, napajanje ne bi smjelo premašiti 2kW (što je uistinu malo), jer mu najviše toliko mogu omogućiti solarni paneli svemirske postaje.

3.6 Proizvodnja antimaterije

16.09.2002. ekipi iz CERN-a uspjela je, u eksperimentu ATHENA (Antihydrogen Production and Precision Experiments), kontrolirana proizvodnja velikog broja (na tisuće) antivodikovih atoma na niskim energijama uz pomoć antiprotonskog deceleratora (usporivača) čestica. Bitno je naglasiti da je to napravljeno na niskim energijama jer se na visokim energijama (pri velikim brzinama) ne bi mogla mjeriti svojstva tih atoma antivodika i uspoređivati ih sa vodikovim svojstvima.

Proizvodnja antivodika u CERN-u

Četveropolni magneti (sa četiri pola!) koji se koriste kao leće. To su fokusirajući magneti koji osiguravaju da veličina zrake čestica bude manja od vakuumske cijevi:

15

Tehničari instaliraju magnet u CERN-ovom novom antiprotonskom deceleratorskom prstenu:

Shema antiprotonske "zamke" koja omogućuje istraživanje svojstava usporenih antiprotona i stvaranje antimaterije (Courtesy CERN):

Svi izvedeni eksperimenti pokazuju da se svojstva antivodika nimalo ne razlikuju od svojstava vodika.

16

4.0 Fundamentalne sile

Materija je pod utjecajem sila koje na nju djeluju (ovi pojmovi se mogu i zamjeniti). Postoje četiri temeljne sile u Svemiru:

1. gravitacijska sila (između dvije čestice koje posjeduju masu)

2. elektromagnetska sila (između čestica sa nabojem/magnetizmom)

3. jaka nuklearna sila (između kvarkova)

4. slaba nuklearna sila (djeluje između neutrina i elektrona)

Prve dvije sile su nam poznate, gravitacija je sila koja djeluje između sveukupne materije, elektromagnetska sila opisuje međudjelovanje čestica sa nabojem i magnetika. Svjetlost (fotoni) se objašnjava interakcijom eletričnog i magnetskog polja.

Jaka sila vezuje kvarkove u protone, neutrone i mezone i drži jezgru atoma zajedno unatoč odbojnim silama koje djeluju između protona. Slaba sila kontrolira radioaktivni raspad jezgre atoma i reakcije između leptona (elektroni i neutroni).

Današnja fizika (nazvana fizikom kvantnog polja) objašnjava razmjenu energije u interakcijama razmjenom nosioca sile, koje nazivamo bozonima. Sile koje djeluju na velikoj udaljenosti imaju nosioce čija masa je nula, gravion i foton. Oni djeluju na razmjerima koji su veći od sunčevog sustava. Sile koje djeluju na kratkim udaljenostima imaju nosioce veoma velike mase, W+, W- i Z za slabu silu i gluon za jaku silu. Oni djeluju na razmjerima veličine jezgre atoma.

Dakle, iako jaka sila ima najveću snagu, ona ima najkraći doseg.

17

4.1 Kvantna elektrodinamika

Područje fizike koje objašnjava interakciju nabijenih čestica i svjetlosti naziva se kvantna elektrodinamika. Kvantna elektrodinamika (QED) proteže kvantnu teoriju na područje sila, krećući od elektromagnetskog polja.

Po QED nabijene čestice su u interakciji razmjenom virtualnih fotona, fotona koji ne egzistiraju izvan interakcije i služe isključivo kao nosioci momenta/sile.

Uočite uklanjanje (eliminaciju) djelovanja na udaljenost, interakcija se događa uslijed direktnog kontakta fotona.

Tijekom 1960-ih, formuliranje QED dovelo je do ujedinjenja teorije slabih i elektromagnetskih interakcija. Nova sila, nazvana elektroslaba sila, prisutna je na ekstremno visokim temperaturama poput onih koje nalazimo u početnim trenutcima nastanka Svemira i koje proizvodimo u akceleratorima čestica. Unifikacija (ujedinjenje) znači da slaba i elekrtomagnetska sila postaju simetrične u toj točki, ponašaju se kao da se radi o jednoj sili.

18

Elektroslaba unifikacija je potakla vjerovanje da se slaba, elektromagnetska i jaka sila mogu ujediniti u nešto što nazivamo Standardnim modelom materije.

4.2 Kvantna kromodinamika

Kvantna kromodinamika je područje fizike koje se bavi jakom ili „obojanom“ silom koja veže kvarkove zajedno te oni formiraju barione i mezone, te rezultira složenom silom koja drži zajedno jezgru atoma.

19

Prijevod sa slike: Obojana sila – dilema kvantne fizike dugo je bila „kako se jezgra atoma drži na okupu uslijed odbojnih elektrostatskih sila kojima je protoni nastoje razdvojiti“.

Odgovor dolazi u obliku obojane sile između kvarkova u protonima i neutronima koji proizvode jaku silu, koja nadjačava elektrostatsku silu.

Jaka sila nadjačava elektromagnetsku i gravitacijsku silu samo na veoma kratkim udaljenostima. Izvan jezgre djelovanje jake sile ne postoji.

4.3 Djelovanje na daljinu

Newton-ova fizika podrazumijeva direktnu vezu između uzroka i posljedice. Električne i magnetske sile potiču dilemu za ovakvu interpretaciju s obzirom da ne postoji direktan kontakt između dvaju naboja, pravilnije je zato kazati da postoji djelovanje na daljinu.

Kako bi razriješili ovu dilemu tvrdimo da postoji razmjena nosioca sile između dviju nabijenih čestica. Ovi nosioci sile su tek kasnije dovedeni u vezu sa česticama svjetlosti (fotonima). Ove čestice služe za prijenos momenta ostvarujući kontakt između nabijenih čestica, slično sudarima automobila i kamiona.

20

Prijevod sa slike: U klasičnom prikazu uzimamo da nepoznati proces potiskuje (gura) nabijenu česticu od magneta. Prema teoriji čestica, nosioci naboja (fotoni) prenose moment direktno na nabijenu česticu.

Međutim, ovaj pokušaj da razjasnimo paradoks djelovanja na daljinu koristi se čestičnom prirodom svjetlosti, dok promatrajući strukture koje nastaju uslijed interferencije očito pokazuju da svjetlost ima valno-čestičnu prirodu. Upravo ova dvojna priroda svjetlosti, istovremeno čestična i valna, dovela je do revolucije poznate kao kvantna fizika.

4.4 Standardni model – Teorija Svega

Da li je to sve? Da li su kvarkovi i leptoni temeljne gradivne strukture? Odgovor je = možda. Mi smo još u potrazi kako bi popunili neke praznine u onom što nazivamo Standardni model.

Standardni model je način pravljenja smisla u mnoštvu elementarnih čestica i sila unutar jedinstvene sheme. Standardni model je kombinacija dviju shema; elektroslaba sila (unifikacija elektromagnetizma i slabe sile) i kvantne kromodinamike. Iako Standardni model unosi znatnu količinu reda među elementarne čestice i vodi prema važnim pretpostavkama, model nije oslobođen

21

i nekih značajnih teškoća.Na primjer, Standardni model sadrži značajan broj proizvoljnih konstanti.

Dobar izbor ovih konstanti vodi prema potpunom slaganju sa eksperimentalnim rezultatima. Međutim, dobra temeljna teorija bila bi ona u kojoj su konstante sama po sebi očite.

Standardni model ne uključuje sve sile i zbog toga je nepotpun. Prisutno je snažno očekivanje da postoji Veliko polje ujedinjene teorije (Great Unified Field Theory -GUTS) koje će pružiti dublje značenje Standardnom modelu i objasniti elemente koji nedostaju.

4.5 Supergravitacija

Čak bi i GUTS bio nepotpun jer bi uključivao prostor-vrijeme i zbog toga gravitaciju. Pretpostavlja se da će Teorija Svega (Theory of Everything - TOE) dovesti zajedno sve temeljne sile, materiju u zakrivljeno prostor-vrijeme unutar jedne jedinstvene slike. Za kozmologiju to će biti jedinstvena sila koja je kontrolirala Svemir u trenutku njegovog nastanka. Trenutni pristup potrazi za TOE je namjera da se otkrije neka fundamentalna simetrija, možda simetrija simetrija. Trebale bi postojati i pretpostavke koje proizlaze iz TOE, kao što je i pretpostavka o postojanju Higgs-ove čestice, porijekla mase u Svemiru.

Jedan od pokušaja formuliranja TOE je supergravitacija, kvantna teorija koja ujedinjuje tipove čestica upotrebom deset dimenzionalnog prostorvremena. Prostor vrijeme (4D konstrukcija) je bila uspješna u objašnjavanju gravitacije. Što ako je i subatomski svijet također geometrijski fenomen.

Mnoge druge dimenzije vremena i prostora mogle bi ležati ispod kvantne razine, izvan normalnog iskustva, imajući utjecaja na mikroskopski svijet elementarnih čestica.

U potpunosti je moguće da ispod kvantne domene postoji svijet potpunog kaosa, bez ikakvog zakona simetrije. Jedna stvar je očita, što nas više napor i trud dovodi u blizinu područja temeljnih zakona, to su rezultati proučavanja sve više udaljeni od našeg iskustva.

22

4.6 Teorija struna

Još jedan pokušaj formiranja TOE dolazi kroz M teoriju (od membrane) ili teoriju struna. Teorija struna je zapravo teorija visokog reda, gdje ostali modeli, poput supergravitacije i kvantne gravitacije, izgledaju kao aproksimacije. Osnovna premisa teorije struna je da subatomski entiteti, kao što su kvarkovi i sile, su zapravo sićušne karike (petlje, prsteni), strune i membrane koje se ponašaju poput čestica sa visokim energijama.

Jedan od problema u fizici čestica je zavidan broj elementarnih čestica (mioni i pioni i mezoni itd.). Teorija struna odgovara na ovaj problem predlažući da malene karike, oko 100 milijardi milijardi puta manje od protona, vibriraju ispod subatomske razine i svaki oblik vibracije predstavlja jedinstveu rezonancu koja odgovara točno određenoj čestici. Dakle, kada bi mogli povećati kvantnu česticu vidjeli bi sićušne strune koje vibriraju.

Važan aspekt teorije struna, koji je čini kandidatom za TOE je to što ne samo da objašnjava prirodu kvantnih čestica već i prostorvrijeme. Ovaj komplicirani skup pokreta mora se ponašati u skladu sa vlastitim pravilima i ograničenjima koja su posljedica na isti način objašnjenim u teoriji relativnosti.

23

Sljedeći aspekt teorije struna u kojem se dodatno razlikuje od ostalih TOE kandidata je njezina estetska ljepota. Teorija struna je geometrijska teorija, takva da, poput opće relativnosti, opisuje objekte i interakcije korištenjem geometrije i nema nedostataka u smislu onog što nazivamo problemom normalizacije kao recimo kvantna mehanika. Nemoguće je testirati pretpostavke postavljene u teoriji struna jer bi bilo potrebno koristiti temperature i energije približne onima koje su vladale u početku Svemira. Dakle, prepušteni smo prosuđivati vrijednost ove teorije na temelju njezine elegancije i unutrašnje konzistentnosti, a ne pomoću eksperimentalnih podataka.

24

5.0 Kvarkovi i Leptoni

Dva temeljna tipa čestica su kvarkovi i leptoni. Kvarkovi i leptoni sa dijele u 6 vrsta koje odgovaraju trima generacijama tvari. Kvarkovi (i antikvarkovi) imaju električne naboje 1/3 ili 2/3. Leptoni imaju jedinične naboje 1 ili 0.

Uobičajena, svakodnevna materija pripada prvoj generaciji, pa sada pažnju možemo usmjeriti prema gore (2/3 naboj) i dolje (-1/3 naboj) kvarkovima, elektron neutrinu (kojeg jednostavno nazivamo neutrino, male mase i bez naboja) i elektronima (-1 naboj, najlakša čestica).

25

Treba uočiti da za svaki kvark i lepton, postoji i odgovarajuća antičestica. Na primjer, postoji gore antikvark, anti-elektron i anti-neutrino. Bozoni nemaju antičestice i nosioci su sile (vidjeti fundamentalne sile).

5.1 Ograničenje kvarkova

Ne može postojati nešto kao slobodni kvark, tj. kvark sam za sebe. Svaki se kvark mora vezati za drugi kvark ili anti-kvark razmjenom gluona. To

26

nazivamo ograničenjem kvarkova. Razmjena gluona proizvodi polje sile određene boje, odnoseći se pri tome na boju naboja koja je pridružena kvarkovima, slično električnom naboju. Polje sile boje je neobično po tome što razdvajanje kvarkova čini polje sile snažnijim (za razliku od elektromagnetske ili gravitacijske sile koja slabi sa udaljenosti). Potrebna je sila kako bi se nadvladalo polje sile boje. Ta energija se povećava sve dok ne dođe do formiranja novog kvarka i antikvarka (energija je jednaka masi, E=mc2).

Dva nova kvarka se formiraju i vežu za prethodna dva kvarka kako bi formirali dva nova mezona. Prema tome, niti jedan kvark nije u niti jednom trenutku u izolaciji. Kvarkovi uvijek putuju u parovima ili trojkama.

27