|
Els constituents elementals de la matèria. Particle Zoology. Our present understanding of the basic constituents of matter and the interaction between them is reviewed briefly. The existence of three different families of fundamental particles seems to relate to the matter-antimatter asymmetry of the Universe. De què està feta la matèria? Quins són els seus constituents últims? Aquesta pregunta ha estat sempre present al llarg de la història i el concepte de constituent elemental ha anat evolucionant paral·lelament al desenvolupament del coneixement científic. En la cultura grega, a partir d’Empèdocles, la resposta eren els quatre elements bàsics: aire, aigua, terra i foc. Vint-i-cinc segles després, Dimitri Mendeleiev va establir la taula periòdica, una classificació de tots els elements químics (més de 100 en l’actualitat) en famílies que tenen les mateixes propietats. El model grec és conceptualment superior, per la seva simplicitat, però és erroni ja que no explica les propietats de la matèria. La classificació de la taula periòdica és correcta i és la base de la química, però té un nombre massa elevat de constituents elementals per a poder ser considerada com l’explicació fonamental del món físic. El desenvolupament posterior de la física atòmica, molecular i nuclear ens ha permès comprendre que les regularitats de la taula periòdica són degudes a l’existència d’una subestructura més simple. Els àtoms són núvols d’electrons amb càrrega elèctrica negativa orbitant al voltant d’un nucli amb una càrrega elèctrica igual però positiva; al seu torn, el nucli és format per protons i neutrons, tots dos anomenats nucleons. Els neutrons, amb propietats semblants a les del protó, però sense càrrega elèctrica, estabilitzen els nuclis pesants, perquè contribueixen a l’atracció forta entre els nucleons sense incrementar la repulsió electromagnètica. Els diferents elements químics corresponen a àtoms amb un nombre diferent d’electrons. Els isòtops químics són àtoms amb idèntiques propietats químiques (nombre Z d’electrons i protons), però amb un nombre diferent de neutrons en el nucli i per tant amb masses diferents. La interacció electromagnètica entre els electrons i el nucli atòmic, regida per les lleis de la mecànica quàntica, és, doncs, responsable de l’estructura atòmica i per tant de totes les propietats químiques, biològiques, etc., és a dir, de l’entorn macroscòpic que ens envolta. Tenim, doncs, una explicació extremadament simple i rigorosa de la matèria, en termes de tan sols tres partícules elementals, electró, protó i neutró, i dues interaccions bàsiques, electromagnètica i forta (la gravetat és menyspreable en el món microscòpic). Aquesta descripció representa un dels progressos conceptuals més importants del coneixement científic, però és incompleta com ara veurem. El 1928 P. A. M. Dirac va demostrar teòricament que la combinació dels principis de la mecànica quàntica amb la teoria de la relativitat especial implicava necessàriament l’existència de l’antimatèria: tota partícula ha de tenir la corresponent antipartícula amb idèntiques propietats, però amb la càrrega oposada. Quatre anys més tard es descobria el positró (l’antielectró) en els raigs còsmics que cauen sobre la Terra. El descobriment de l’antiprotó i de l’antineutró no arribaria fins els anys cinquanta quan els primers acceleradors de partícules foren capaços de produir-los. Des dels primers estudis de la radioactivitat natural, els científics s’havien topat amb un problema aparentment irresoluble dins del marc teòric conegut. Alguns nuclis són capaços de transmutar-se en un nucli diferent, canviant la càrrega nuclear en una unitat, emetent radiació ß (que consisteix en un electró o en un positró). Aquest fenomen correspon a una transmutació, dins del nucli, entre els dos tipus de nucleó, és a dir un neutró es desintegra en un protó i un electró, o un protó es transforma en un neutró i un positró. Hi ha per tant una força addicional de molt baixa intensitat, denominada interacció feble, que és capaç de canviar la identitat dels nucleons. El problema és que en aquest procés de transmutació sempre desapareix energia, en contradicció amb el principi de conservació més ferm de la ciència. El 1930 W. Pauli va inventar una solució estrambòtica: en la desintegració ß és produeix una tercera partícula, el neutrí, que s’escapa amb l’energia que manca. El neutrí no té ni càrrega elèctrica, ni interacció forta i per tant és una mena de fantasma indetectable. Com que té només interacció feble, un neutrí és capaç de travessar un núvol d’hidrogen tan gran com l’univers sense topar amb un sol àtom. De fet Pauli pensava que mai ningú seria capaç de detectar un neutrí. I es va enganyar. La primera observació d’un antineutrí es va fer als anys cinquanta, col·locant un detector en una barraca al costat d’un reactor nuclear que produïa un gran nombre de neutrons. Com que els neutrons es desintegren, del reactor s’escapaven 1013 antineutrins per segon i cm2, dels quals es van poder observar en el detector els senyals (interaccions) de tan sols unes desenes. També el Sol és una font molt intensa de neutrins, a causa de les reaccions nuclears originades al seu si. Cada segon, 1012 neutrins solars travessen el nostre cos sense que les nostres cèl·lules noten, afortunadament, la seua presència. També de nit ens arriben, travessant la Terra! La detecció d’aquests neutrins ens permet estudiar l’interior del Sol i els seus mecanismes de funcionament. Quatre partícules (neutrí, electró, protó i neutró) i llurs corresponents antipartícules semblen, doncs, suficients per a descriure el nostre món. Tanmateix, hi ha un altre nivell de subestructura dins dels nucleons. El protó i el neutró pertanyen a una nombrosa família de partícules amb interaccions fortes, denominades hadrons. Primer es van descobrir els pions en els raigs còsmics i després els acceleradors començaren a produir un gran nombre de noves partícules, totes elles inestables, que es desintegren ràpidament. Els hadrons no són elementals; són compostos per unes entitats més menudes: els quarks. Les forces que uneixen els quarks són tan intenses que estan sempre confinats dintre dels hadrons, seguint unes regles peculiars degudes a la dinàmica de la interacció forta. Els hadrons corresponen a estructures formades per tres quarks (barions), per tres antiquarks (antibarions) o per un quark i un antiquark (mesons). Dins dels nucleons descobrim dos tipus de quarks, denominats u (up) i d (down). Un protó és un estat uud i un neutró té la composició udd. Els quarks tenen, doncs, una càrrega elèctrica fraccionària: +2/3 el u i –1/3 el d. Les possibles combinacions d’aquests dos tipus de quarks i els respectius antiquarks originen una gran varietat d’hadrons. Finalment tenim una taula de constituents elementals que, com la d’Empèdocles, té només quatre entitats bàsiques: dos quarks (u i d) i dos leptons (neutrí i electró). La moderna teoria quàntica de camps dóna una descripció rigorosa de la seva dinàmica. Les interaccions fortes dels quarks són governades per les lleis de la cromodinàmica quàntica, mentre que la teoria unificada electrofeble descriu correctament les altres dues interaccions. És una descripció simple i poderosa, però un altra vegada incompleta. Als anys quaranta va aparèixer als raigs còsmics un cosí de l’electró: el muó. Al 1975, a l’accelerador de Stanford, es va descobrir el leptó tau. El muó i el tau són idèntics a l’electró, però molt més pesants (200 i 3.000 vegades més, respectivament). Són inestables i acaben transformant-se en electrons. I per no quedar-se a soles, també el neutrí (electrònic) té dos cosins: els neutrins muònic i tauònic (la primera observació directa del neutrí tauònic s’ha produït recentment). Els quarks també presenten una repetició similar. Hi ha tres quarks diferents amb càrrega +2/3, u, c (charm) i t (top), i tres amb càrrega –1/3, d, s (strange) i b (beauty). Les nombroses combinacions possibles de tots aquests quarks donen lloc a centenars de partícules hadròniques: un veritable zoològic de noves formes de matèria que és necessari investigar. D’altra banda, les diverses forces tenen els seus propis quanta o unitats bàsiques de transmissió de la interacció. La força electromagnètica és deguda a l’intercanvi de fotons; els fotons formen la llum, les ones de ràdio i televisió, els raigs X, etc. La interacció forta ve mitjançada per 8 gluons; com els fotons, són quanta sense massa ni càrrega elèctrica i donen lloc a interaccions de llarg abast, viatjant a la velocitat de la llum. La interacció feble és de molt curt abast i es produeix per l’intercanvi de 3 quanta molt massius, els bosons W± i Zº, que han estat descoberts i investigats en el CERN durant els últims deu anys. A més a més, es pensa que també la gravitació té el seu quanta, naturalment anomenat gravitó. Paradoxalment, la primera interacció coneguda, la gravitació, és a hores d’ara un gran problema. Se sap que el fotó i els bosons W± i Zº estan estretament relacionats per una simetria que es trenca a baixes energies; en condicions de major temperatura la interacció electromagnètica i la feble es confonen i no fan més que una sola interacció: l’electrofeble. Igualment, a temperatures encara més grans hi haurà una unificació d’aquesta interacció amb la interacció forta, i hi ha teories per descriure aquesta unificació, així com evidències en aquest sentit. La unificació amb la gravetat, però, és més complicada tant des del punt de vista teòric com experimental. Les temperatures per observar la hipotètica unificació són enormes, com les que existien a l’inici del Big Bang. Vet aquí un altre aspecte interessant i insospitat fa unes desenes d’anys: el món microscòpic dels constituents elementals i el món macroscòpic de l’univers es troben cara a cara. Per això els grans acceleradors de partícules poden donar una idea de com es comportava la matèria en les condicions que existien just després del Big Bang. L’evolució de l’univers, des del Big Bang fins als nostres dies. La física actual es troba en una situació prou semblant a la de la química en la segona meitat del segle XIX. La taula de constituents elementals de la matèria té ara tres famílies d’objectes bàsics, amb dos quarks i dos leptons cadascuna (més les corresponents antipartícules), que descriuen perfectament tots els fenòmens coneguts. La dinàmica de les tres forces involucra l’intercanvi de dotze quanta addicionals. La nova proliferació d’entitats elementals ens torna a plantejar la mateixa pregunta: hi ha una subestructura més simple? Tampoc coneixem quina dinàmica determina les diferents masses dels constituents. La teoria actualment acceptada prediu l’existència d’un quantum addicional, relacionat amb la generació d’escales de massa: el bosó de Higgs. El descobriment d’aquesta partícula, l’última anella del marc teòric conegut, serà l’objectiu del nou accelerador LHC que ara es comença a construir en el CERN. També desconeixem per què existeixen tres famílies de constituents, però sembla que això té alguna relació amb la pràctica absència d’antimatèria en el nostre univers. Pensem que en els primers 10-10 segons després del Big Bang es va produir una petita asimetria entre matèria i antimatèria. L’antimatèria s’hauria aniquilat amb la matèria, fenomen que va produir radiació energètica (fotons i gluons), i l’excés de matèria hauria originat el nostre univers tal com l’observem. Antoni Pich. IFIC, Centre Mixt CSIC – Universitat de València. |
«Quatre partícules
|
