El crit del quark

La paraula quark és utilitzada moltes vegades pels físics i l’ús de la
mateixa esgarrifa a qualsevol persona no acostumada a ella. Seria molt
llarg i complex d’explicar les particularitats, les característiques i
la física que té la seva naturalesa, però el que sí us puc donar és un
indici de l’existència dels mateixos i aquest serà el tema central de
la nostra història d’avui.

[@more@]

Imagineu que volem veure un arbre. Per començar, utilitzem com llum el Sol. Aquests fotons de llum arriben a l’arbre, les seves fulles, branques i escorça. Podem dir que tot això dispersa els fotons dels quals, alguns, arriben a un detector (els nostres ulls) que fa que els fotons passin per una lent i puguem apreciar matisos com color o intensitat. S’organitza tota aquesta informació que va a la part occipital dels nostres cervells que després d’un estudi arriben a la conclusió: oh!, un arbre!.

Ara imaginem que no tenim ulls. Una forma de veure’l seria posar un canó que llancés pedres i posar-nos darrere de l’arbre amb detectors de pedres. Si una pedra arriba no ha trobat res, però si no arriba haurà xocat amb l’arbre o haurà estat desviada pel mateix. Podem reconstruir una "silueta" borrosa d’un arbre en funció de lo grans o petites que siguin les pedres, la seva velocitat, etc. Per exemple, si llencem les pedres amb més velocitat o amb mides més petits podrem, fins i tot, apreciar que té branques. Seria alguna cosa així com una foto a contra llum.

És clar, les coses no són tan senzilles en voler veure l’estructura de la matèria. Les pedres amb que hem de bombardejar han de ser molt petites, doncs si fossin grans seria com si a l’arbre anterior volguéssim reconstruir-lo amb pedres més grans que el mateix arbre. En resum: necessitem partícules amb velocitat i per a això existeixen els acceleradors de partícules.

A principis del segle XX es pensava que l’àtom era una espècie de síndria on la càrrega negativa estava distribuïda uniformement per ella i les càrregues positives eren les pepites de la mateixa. Rutherford va haver de bombardejar els àtoms amb partícules alfa (nuclis d’heli amb 2 protons i 2 neutrons) per veure que havia alguna cosa que fallaba. I bé, què tenien de particular aquestes partícules alfa? Doncs la seva velocitat, o el que és el mateix, la seva energia. Tal com s’acostuma a dir que el perillós de les bales d’una pistola és la seva velocitat i no la bala en si, aquí succeeix el mateix. Les partícules alfa, per si soles, no serveixen. No serien més que el gas heli i no ens servirien per explorar l’estructura de l’àtom.

Els acceleradors de partícules són capaços de treballar amb energies molt altes. Es pretenia que el Supercolisionador Superconductor treballés amb energies de 40 TeV. Com tot, cal posar les coses en perspectiva. Aquesta energia és la que es desprèn quan encenem un mixto. El que passa és que en un llumí hi ha 1021 (1000 trilions) àtoms en la reacció i cadascun d’ells allibera 10 ev. La clau és que l’energia amb la qual treballa l’accelerador es concentra en només dues partícules. Curiós, no?. L’única finalitat de tot el monstruós complex és donar aquesta misèria d’energia a només dues partícules.

D’altra banda, quan parlem de velocitat de les partícules hem de pensar que no podem arribar a la velocitat de la llum. Per exemple, una màquina pot accelerar els protons al 99% de la velocitat de la llum. En aquest cas tindrien uns 7 GeV (Bevatrón de Berkeley, 1955). Un altre al 99,95% de l’esmentada velocitat tindria una energia de 30 GeV (Brookhaven AGS, 1960) i un altre accelerat al 99,999% tindria 200 GeV (Fermilab, 1972). Amb la quantitat de diners que costa tot això, imagineu-vos explicar a un polític que voti a favor de construir un altre accelerador per obtenir un altre miserable 0,0009% de la velocitat de la llum.

El fet important és que aquestes partícules amb aquestes energies són el tipus de pedra amb la qual es copegen els àtoms i altres partícules per veure la seva estructura.

L’equip de Robert Hofstadter va utilitzar electrons de 800 MeV i va apuntar un feix ben dirigit d’aquests electrons contra un recipient que contenia hidrogen líquid (àtoms amb un protó). I fixeu-vos que essencialment l’experiment era el mateix que el de Rutherford que va fer servir partícules alfa contra una prima làmina d’or o el del nostre arbre amb les pedres però amb projectils molt més energètics. A més a més, com que els electrons no responen a les forces nuclears tindrem un avantatge afegit. D’aquesta manera, els científics de Stanford es van adonar clarament que el protó no era un punt, sinó que tenia un ràdi de 2,8 * 10-13 cm. La càrrega s’acumulava al centre i s’esvaïa en les vores. No us sembla una vulgar fotografia a contra llum?. Bé, aquest vulgar té els seus matisos i aquests matisos són els que van portar a Hofstadter a guanyar en 1961 el premi Nobel per les seves primeres "fotografies" del protó.

El problema és que el grup de Hofstadter podia veure només un punt borrós, doncs l’energia dels electrons era relativament baixa. Al voltant de 1968, els físics de del Centre de l’Accelerador Lineal de Stanford (SLAC) van bombardejar protons amb electrons d’entre 8 i 15 GeV. Ara ja no van tenir un punt borrós. Els patrons de dispersió van ser totalment diferents. Aquests electrons, aquesta llum dura, amb que van bombardejar els protons van posar de manifest una subestructura interna on havia uns personatges corrent per allà dins. Aquest experiment no contradiu l’anterior. L’experiment de Hofstadter donava resultats mitjans perquè el moviment dels quarks tacava la imatge. Aquests experiments es van repetir, evidentment, en el Fermilab i en el CERN en forta competència. Aquests últims van anar més lluny i els van fer amb altres partícules (amb muons) que tenien ni més ni menys que 150 GeV i després els van fer amb neutrins. Cadascun dels experiments va arribar a la mateixa conclusió: el protó està format per tres subpartícules que van rebre el nom de quarks.

Per si no n’hi hagués prou, un anàlisi més detallat va posar de manifest un altre tipus de partícules nomenades gluons.

Resumim. Des de Leucipo i Demócrito fins als nostres dies, la matèria es compon d’àtoms, regió central del qual és el nucli que està format per protons i neutrons, és a dir nucleons, que estan, a més, formats per quarks que estan formats per … Alerta! Qui s’atreveix ara a dir que hem arribat al final del camí o que hi ha alguna cosa més enllà?.

Crec que és una cosa sobre la que podeu reflexionar fins a la nostra propera història.

Font:
http://historias-de-la-ciencia.bloc.cat/post/1052/55472

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

3 respostes a El crit del quark

  1. Molt bon escrit.
    Una pregunta. Entenc que les partícules que s’utilitzin per bombardejar hagin de ser més petites que “l’objectiu”.

    El tema de la velocitat (energia) dedueixo que és pq a més velocitat les partícules desviaran menys la seva trajectòria (les forces nuclears o electromagnètiques que pugui patir seran menors). És així? És a dir, q en el tema de les pedres la velocitat no interferiria (negligint la gravetat entre elles, per suposat) però sí quan existeixen les altres forces. M’equivoco?

    Salut!

  2. “Els acceleradors de partícules són capaços de treballar amb energies molt altes. Es pretenia que el Supercolisionador Superconductor treballés amb energies de 40 TeV. Com tot, cal posar les coses en perspectiva. Aquesta energia és la que es desprèn qu…

  3. omalaled diu:

    Bona pregunta. Això de les pedres era un símil, però no és generalitzable: només volia donar una idea.

    Del que preguntes es una questió de la naturalessa ondulatòria de la matèria. Has de llençar partícules que tinguin una longitut d’ona de de Broglie més petita que allò que vols veure. Aquesta longitut d’ona de de Broglie és més petita com més gran sigui la masa o més gran sigui la energia. En el fons, és un microscopi electrònic de molt alta ressolució.

    Part d’aquestes fòrmules les tens aquest enllaç http://www.astrocosmo.cl/anexos/h-l_%20broglie.htm

    Si vols més informació o més detalls, m’ho dius i estaré encantat.

    Salut!!

Els comentaris estan tancats.