Transcript: Modelul standard al interacţiilor cuantice de câmp.

În cea de-a 12-a lecție de fizică nucleară vom discuta despre modelul standard și despre fizica particulor elementare, ce rezultă din acest model standard.
Modelul standard provine din cunoaștere actuală a naturii care separă fizica în două scări.
Deci avem, în primul rând, scara distanțelor foarte mari.
Deci ne referim aici la fenomenele ce au loc în Univers, la nivelul Universului sau Cosmosului, unde singura interacțiune ce are un efect important este interacțiunea gravitațională.
Toate celelalte interacțiuni sunt perfect neglijabile.
Această interacțiune gravitațională este descrisă de teoria relativității generalizate a lui Einstein.
Nu ne referim la teoria relativității restrânse, ci la cea relativității generalizate pe care dumneavoastră nu ați făcut o liceu.
Această teorie este bazată pe conceptele de masă și energie și interacția masei și energiei cu geometria spațiu-timpului.
Aceasta este teoria relativității generalizate și ea descrie perfect, la ora actuală, fenomenele fizice la nivelul Universului.
Deci la scara distanțelor foarte mari.
Bineînțeles, există scara distanțelor foarte mici, scara microscopică, unde intervine acest model standard.
Modelul standard descrie fizica microscopică pe baza interacțiilor cuantice, care sunt bazate pe conceptele de particulă și câmp.
Deci avem particule care interacționează între ele prin tipuri de interacțiuni pe care le vom enumera în curând.
Deci aceste particule interacționează schimbând cuante de energie care se manifestă ca și particule.
Exemplul pe care îl cunoașteți dumneavoastră cel mai bine din fizica din clasa 12-a este interacțiunea electromagnetică,
care după cum ați văzut are loc prin schimbul cuantelor de energie introduce de Planck, prin ipoteza sa, ipoteza Planck.
Iar apoi Einstein a postulat că aceste cuante de energie se manifestă sub forma unor particule care sunt fotoni.
Acesta este tipul de interacții, tipul de descriere a interacțiilor cuantice din lumea microscopică, care stă la baza modelului standard.
Haideți să vedem cum anume se întâmplă acest lucru și să detaliem un pic ideile de bază ale modelului standard.
Bineînțeles, nu vom intra în niciun calcul matematic.
Deci modelul standard descrie trei tipuri de interacțiuni dintre particule prin intermediul unor câmpuri cuantice formate din bozoni.
Haideți să explicăm un pic.
În primul rând, ce sunt bozoni?
Bozoni sunt pur și simplu o definiție.
Deci numim bozoni, scuzați, bozon, orice particulă care are spinul întreg.
Deci dacă spinul este 0, 1, 2 și așa mai departe, prin definiție se numește bozon.
Și bineînțeles, atunci rămâne o altă clasă de particule, care se numesc fermioni, care au spinul semi-întreg.
Deci S este egal cu 1 pe 2, 3 pe 2, 5 pe 2 și așa mai departe.
Acestea sunt singurile valori posibile ale spinului întreg sau semi-întreg și în concluzie, orice particulă din lumea microscopă, ori un bozon, ori un fermion.
Motivul pentru care se face această diferențiere a particulelor între bozon și fermion este acela că ele se supun unor legi fizice diferite,
legi cuantice diferite, ceea ce le conferă proprietăți diferite.
În particular, spre exemplu, doar fermionii respectă principiul de exclusiunea lui Pauli, bozonii nu se supun principiul de exclusiunea lui Pauli.
Asta fiind doar un exemplu.
Deci, revenind, ideea fundamentală a modelului standard este că interacțiunea dintre două particule, deci avem două particule, fără a specifica care sunt proprietățile lor, care interacționează.
Ele interacționează prin intermediul câmpurilor lor, deci există câmpul particulei 1 care se suprapune cu câmpul particulei 2 și în zona de suprapunere va avea loc un schimb de astfel de particule numite bozone.
Deci, în câmpul celor două particule care interacționează apar aceste cuante de energie care sunt particule și care au spin întreg.
Aceasta este ideea de bază a modelului standard.
Bineînțeles, ea se dezvoltă într-o teorie matematică destul de complexă.
Pentru a da exemple concrete, enumerăm cele trei tipuri de interacțiuni care sunt deschise de modelul standard.
Prima și cea mai cunoscută de către dumneavoastră este interacțiunea electromagnetică.
După cum bine știți, ea are loc între orice două particule care au sarcină electrică.
Bozonul cu antă de câmp, după cum bine știți, din ipotezele Planck și Einstein, este fotonul.
Deci, două particule cu sarcină electrică vor interacționa electromagnetic, schimbând cuante de energie.
Aceasta era ipoteza Planck.
Iar apoi, ipoteza Einstein spunea că aceste cuante de energie au o formă foarte concretă de manifestare.
Suformă unei particule pe care el a numit-o foton.
Și apoi a fost, bineînțeles, descoperită experimental, studiată și așa mai departe.
Deci, bozonul cu antă de câmp, care stă la bază a interacțiunii electromagnetice, este fotonul.
Fotonul, știm, are spinul 1, are masa 0 și așa mai departe, sarcină 0.
Interacțiunea electromagnetică domină la scara de peste 10 la minus 10 metri,
ceea ce înseamnă că este interacțiunea dominantă în fizică atomică și molecular.
Următorul tip de interacțiune descrisă de modelul standard este interacțiunea slabă.
Interacțiunea slabă determină dezintegrările particului.
Dezintegrările betas, spre exemplu, au loc prin interacțiunea slabă.
Bozonii cu ante de câmp, în cazul acestei interacțiuni, sunt 3 la număr.
Sunt 3 particule, Z0, W+, și W-.
Vom da pe scurt, în curând, proprietățile de bază ale lor.
Nu insistăm.
Dumneavoastră nu ați făcut în liceu și nu faceți niciuna din proprietățile interacțiunii slabă.
Deci nu insistăm.
Cea de-a treia și ultima interacțiune descrisă de modelul standard se numește interacțiunea tare.
Ea are loc între particule cu sarcină de culoare, care se numesc cuarci sau se mai numesc și cuarcuri.
Deci există astfel de particule, numite cuarci sau cuarcuri, care au o sarcină numită culoare
și interacțiunea dintre aceste particule este interacțiunea tare.
Sarcină de culoare se numește culoare pentru a-i da o nume.
La fel cum în interacțiunea electromagnetică, sarcina electrică, Q, deci Q electric să o numim,
are două valori și le-am numit prin convenție plus și minus.
Deci aceasta este o convenție.
Numim cele două valori ale sarcinii plus și minus.
La fel în interacțiunea tare apare o sarcină de culoare care are trei valori
și din acest motiv au fost numite roșu, galben și albastru.
Deci acestea sunt niște convenții.
Am denumit aceste trei stări ale sarcinii fundamentale ce apare în interacțiunea tare cu nume de culori.
Bozonii aceste interacțiuni, deci bozonii ce mediază interacțiunea dintre culoari,
se numesc gluoni și sunt în număr de 8.
Această interacțiune domină la scara de sub 10 la minus 15 metri
și deci aceasta este interacțiunea ce stă la baza fizicii particular.
Deci toate particulele, spre exemplu particulele care cunoașteți dumneavoastră cel mai bine
sunt protonii și neutronii,
sunt formați din astfel de cuarci
care sunt legați între ei datorită interacțiunii tari
și această interacțiune tare, deci interacțiunea dintre cuarci, are loc prin schimbul de gluoni.
Bineînțeles există și alte, multe alte particule,
vom explicita o serie de astfel particule, structura lor și tipul de interacție în curând.
Dar cele mai cunoscute particule sunt protonii și neutronii.
Există o a patra interacțiune despre care am discutat noi în ultimele lecții,
în lecții de fizică nucleară și anume interacțiunea nucleară.
Ea nu este considerată o a patra interacțiune pentru că ea, de fapt, interacțiunea nucleară,
este un rezidu al interacțiunii tari.
Deci ce se întâmplă este că interacțiunea nucleară, spre exemplu,
ați întâlnit-o în interacția dintre proton și neutron.
Deci avem un proton și un neutron, interacția dintre ei, după cum am discutat,
are loc prin schimbul unei coante de energie sub forma unui pion, unui mezon pi.
Ei, atât protonul, cât și neutronul, cât și mezonul pi sunt formați din coarci.
Protonul din trei coarci, după cum vă vedea imediat,
neutronul tot din trei coarci, pionul din doi coarci.
Interacțiunea nucleară care se manifestă în acest tip de interacție proton-neutron
prin intermediul unui mezon pi, este, dacă doriți, restul interacțiunii tari
ce are loc între acești coarci și care scapă în exterior.
Deci rezidul interacțiunii tari din interiorul protonului, neutronului și pionului,
care iese în afară, formează interacțiunea nucleară.
Nucleonii și, în general, hadronii despre care vom vorbi imediat.
Deci nucleonii sunt un caz particular al particulor numite hadronii.
Nucleonii, din nou, sunt protonii și neutronii, interacționează nuclear.
Bozonii coante de câmp ai interacțiunii nucleare sunt mezonii pi,
și anume pi zero, pi plus și pi minus, trei mezoni.
Domină la scările intermediare dintre 10 la minus 10 metri.
Peste 10 la minus 10 metri am văzut că apare dominant interacțiunea electromagnetică.
Sub 10 la minus 15 apare interacțiunea tare.
Deci între 10 la minus 10 și 10 la minus 15 este această interacțiune nucleară
care descrie proprietățile despre care am discutat în fizica nucleară.
Deci, din nou, interacțiunea nucleară este și ea foarte corect și complet descrisă de către modelul standard,
numai că nu o menționăm ca și a patra interacțiune,
ea nefiind un tip distinct de interacțiuni,
fiind un tip specific sau un caz mai concret de interacțiune tare.
Și, după cum am spus, exemplul concret în care am întâlnit interacțiunea nucleară
este forța de atracție dintre nucleoni, adică proton și neutroni, în nucleo,
care are loc prin schimbul acestor mezoni pi.