El recorregut per la Física de Partícules

Potser ja t'has preguntat, al llarg de les últimes pàgines, com del "res" poden aparèixer de sobte noves partícules.
Per poder comprendre això examinem ara de forma teòrica un experiment que podria realitzar-se de forma similar en un accelerador de partícules.

Per a aquest experiment necessitem dues partícules: un electró i una partícula similar a l'electró però amb càrrega elèctrica positiva, l'anomenat positró.

Com ja se sap, aquestes dues partícules amb càrrega elèctrica poden ser accelerades en camps elèctrics. El nostre objectiu és fer col·lisionar les partícules després d'accelerar-les al llarg d'un recorregut anàlog al d'un accelerador lineal, per tal de produir noves partícules. Les partícules inicials s'acceleren en camps elèctrics diferents, de voltatge U, de manera que les trajectòries siguin perpendiculars entre elles, i se'n provoca la col·lisió.

Després de la col·lisió es creen dues noves partícules: un protó, que és un component del nucli atòmic amb càrrega elèctrica positiva, i un "protó" carregat negativament, l'anomenat antiprotó.
Aquestes dues partícules que han aparegut es frenen en camps elèctrics, i es mesura el voltatge necessari per frenar-les completament.

Les partícules carregades elèctricament, quan es troben en camps elèctrics, adquireixen energia. Es tracta d'energia elèctrica, que es pot calcular mitjançant la fórmula

E = qU

Aquí també és vàlida la conservació de l'energia, que ja coneixes, de manera que seria raonable mirar el balanç de la reacció descrita.

Com que tant l'electró i el positró com el protó i l'antiprotó tenen la mateixa massa, i per tant es pot veure que la reacció global és simètrica, només tractarem el balanç d'energia entre l'electró i el protó.

Considerem que, en el camp d'acceleració elèctric, l'electró ha estat accelerat amb una tensió que, en el moment de la col·lisió, li ha proporcionat una energia cinètica de 1500 MeV. L'electró adquireix aquesta energia cinètica gràcies a la transformació de l'energia elèctrica.
Després es frena el protó en un camp elèctric i es comprova, també a partir de la fórmula E = qU, que tenia una energia cinètica de 562,5 MeV.

Aquí és on entra en joc l'energia de la massa.
Falten encara 937,5 MeV. Com que en la reacció no es produeix cap altra partícula, el protó ha d'haver emmagatzemat l'energia que falta. I això ocorre en forma de massa. El protó té una massa considerablement més gran a la de l'electró, unes 1900 vegades més gran. Aquesta massa s'ha adquirit ha partir de l'energia que trobavem a faltar després de la reacció. El protó, doncs, té energia de massa!

Potser ja coneixes la fórmula per a l'energia de la massa, la famosa Formula d'Einstein:

E = mc².

En ella c és la velocitat de la llum i m la massa de la partícula. En el nostre cas la massa és la del protó, o sigui m_p. La fórmula per l'equació de l'energia en aquest cas és, per tant:

eU_e = E_p + m_pc².

Peró aquesta fórmula no és del tot correcta, ja que...

De fet l'electró també té, igual que totes les altres partícules amb massa, energia de massa. En l'electró és de 0,5 MeV. En el el balanç d'energia això significa que el protó té una energia de massa uns 0,5 MeV més gran que la que s'ha calculat abans. Amb això l'equació de l'energia és:

eU_e + m_ec² = E_p + m_pc²

1500 MeV + 0,5 MeV = 562,5 MeV + 938 MeV

L'energia de les partícules en els acceleradors consisteix, doncs, en la seva energia cinètica i la seva energia de massa.

Pots veure, per tant, que energia i massa són equivalents.

En un detector es detecten entre d'altres coses, partícules noves que s'originen d'aquesta manera.

A la pròxima pàgina, Detectors, aprendràs més coses sobre els detectors de partícules.