El recorregut per la Física de Partícules

En el context de la radiació radioactiva s'entén per abast la distància que pot recórrer una partícula de la radiació (partícula alfa, beta o gamma) en un medi determinat. És, per exemple en l'aire, d'uns pocs centímetres en el cas de les partícules alfa, i pràcticament infinit per les partícules gamma. En medis diferents a l'aire l'abast és més curt, depenent del material.

Al món hi ha diversos tipus d'acceleradors de partícules. Primer de tot es diferencien els acceleradors lineals, en els que les partícules són accelerades en línia recta, dels circulars, en els que són accelerades en trajectòries circulars. En els acceleradors lineals només hi ha acceleració des del principi fins al final de la instal·lació, mentre que en els acceleradors circulars les partícules poden ser accelerades fins la velocitat establerta pel dispositiu de l'accelerador i després continuar circulant.
Tots els tipus d'acceleradors tenen en comú que en el seu interior les partícules carregades elèctricament adquireixen energia (en forma d'energia cinètica o energia de la massa) a través de camps elèctrics per tal de, per exemple, ampliar el coneixement sobre l'origen i l'estructura de l'Univers. En general, en les instal·lacions acceleradores es fan experiments sobre l'estructura de les partícules accelerades, o s'intenten crear noves partícules i després, investigar-les.
En els acceleradors de partícules, les partícules carregades són accelerades per camps elèctrics i guiades a través d'una determinada trajectòria per camps magnètics.
Una segona distinció entre acceleradors és si acceleren les partícules i les fan xocar contra un objectiu en repòs, o si acceleren partícules de càrrega contrària en sentits oposats i les fan col·lidir en punts determinats.
En una altra part de les instal·lacions acceleradores, els detectors, s'investiguen els productes de la reacció i s'obtenen conclusions.
A Europa hi ha unes instal·lacions acceleradores força grans a Alemanya, el DESY d'Hamburg, i a prop de Ginebra, el CERN, un projecte internacional situat meitat en zona suïssa i meitat en zona francesa.

L'antimatèria està formada per antipartícules. D'antipartícules n'hi ha per cada partícula coneguda. En les partícules carregades elèctricament, l'antipartícula corresponent sempre té una càrrega contrària. Com a símbol per l'antipartícula, es pren el símbol de la partícula corresponent, afegint un guió a dalt. (Amb una única excepció: l'antipartícula de l'electró, el positró, es simbolitza e+).
Teòricament es poden generar antipartícules, i per tant antimatèria. Tot i així, passa que en la Natura, que està feta de matèria i no d'antimatèria, quan les partícules i les antipartícules es troben, es destrueixen mútuament. Aquest també és el motiu pel qual a la Natura no es troba antimatèria. Els científics suposen que al principi de l'Univers hi havia un excés de matèria, per la qual cosa tota l'antimatèria va reaccionar amb matèria i va desaparèixer completament. Actualment es pot produir, en ambients artificials, per exemple, antihidrogen. Però tant bon punt deixen de mantenir-se aquestes condicions artificials, deixa d'existir també l'antihidrogen.

Els àtoms (del grec atomos = indivisible) estan formats per un nucli i un embolcall. El nucli atòmic es troba al centre de l'àtom. Representa l'1% de volum de l'àtom, però conté el 99% de la massa. Per poder-se fer una idea de la proporció del nucli respecte l'àtom sencer, un pot se'l pot imaginar en el nostre món macroscòpic com s'indica a continuació:
Si el nucli tingués la mida d'una pilota de tenis, el diàmetre de l'àtom seria de 1,6 km aproximadament.
La mida dels àtoms és d'uns 10^-10m.

S'entén per capacitat de penetració, en relació a la radioactivitat, la capacitat de la radiació radioactiva de penetrar dins la matèria, o de travessar-la completament. En aquest sentit la radiació alfa és la que té una capacitat de penetració més petita: és apantallada per una simple fulla de paper. Per contra, la radiació gamma és la que té una capacitat de penetració més gran: no hi ha pràcticament cap material que l'aturi, inclús pot travessar lliurement murs de plom gruixuts.

Els detectors són les parts dels acceleradors de partícules on es fan les deteccions. En el seu interior estan els objectius contra els quals xoquen les partícules accelerades, o on dos feixos de partícules accelerats en sentits contraris xoquen l'un contra l'altre.
Els detectors estan fets de varies capes concèntriques situades al voltant del recorregut de les partícules. Hi ha, per exemple., una capa que serveix per detectar partícules carregades elèctricament, una capa situada molt a prop del lloc de la reacció per detectar partícules de vida curta, i capes més externes que permeten identificar partícules de vida llarga.

Amb un detector de centelleig es poden detectar fotons. A grans trets, està construït de manera que els fotons són dirigits fins una capa de metall. Si els fotons tenen prou energia i xoquen contra un electró d'un àtom, l'arranquen. Darrere la capa de metall hi ha els anomenats fotomultiplicadors, que acceleren aquest electrons gràcies a un camp elèctric creat per elèctrodes, que també estan fets de metall. Quan els electrons, accelerats fins a altes velocitats, xoquen contra un elèctrode, arranquen electrons dels àtoms, igual que havia fet anteriorment el fotó. D'aquesta manera, d'elèctrode en elèctrode (en un fotomultiplicador n'hi ha varis), es van alliberant cada cop més electrons. S'obté una mena de "cascada d'electrons". Aquesta cascada pot ampliar tant la senyal d'un únic fotó, que aquest finalment pot ser mesurat i enregistrat en un ordinador. La senyal de llum, per tant, es transforma en un senyal elèctric.

L'electró (del grec elektron, àmbar) és la partícula carregada negativament de l'embolcall de l'àtom. Va ser descobert el 1897 per J.J. Thomson. Té una càrrega elèctrica de -1e, és a dir, una unitat de càrrega electrònica negativa, o 1,6*10^-19 coulombs, i es considerat com a partícula fonamental, perquè és indivisible. A més, és estable.
Contribueix decisivament a l'estructura del nostre món, degut a la seva pertinença a l'àtom, motiu pel qual se'l considera com un constituent de la matèria.

L'embolcall atòmic esta format per electrons que giren al voltant del nucli atòmic. La pertinença de l'àtom a un element determina quants electrons hi ha a l'embolcall. A diferència del nucli, els electrons estan distribuïts en un espai molt gran.

Quan una partícula és accelerada, adquireix energia cinètica. Tot i així, una partícula pot anar, com a màxim, a una velocitat propera a la de la llum, més ràpid no pot anar. Si a la partícula se li subministra encara més energia, aquesta s'emmagatzema en forma de l'anomenada energia de la massa, que ve donada per la fórmula d'Einstein:
E = mc²
en què E és l'energia i m la massa. Expressant la massa en les unitats adequades, pot suprimir-se la velocitat de la llum al quadrat de la fórmula, de manera que queda:
E equivalent a m

En un experiment, el físic anglès Ernest Rutherford va fer xocar nuclis d'heli (és a dir, partícules α) contra una làmina d'or molt fina i va veure que quasi tots els nuclis la atravessaven.
Va notar, però, que alguns nuclis d'heli eren reflectits i tornaven enrere.
D'aquí Rutherford va deduir que els àtoms d'or havien de consistir en gran part en espai buit, amb un nucli petit amb càrrega elèctrica positiva i molta massa al mig.
Aquesta descripció es va extendre a tots els àtoms, donant lloc a un model de l'àtom que diu que els electrons giren en un espai buit molt gran al voltant del nucli atòmic, molt massiu i carregat positivament.

La paraula Física prové de la paraula grega physis, que correspon a la paraula llatina natura. Natura significa "sorgir i esdevenir". Amb aquest terme es referien a l'estructura de totes les coses, però també a la totalitat de les coses de les quals està format l'Univers. A la Natura també se li atribuia l'origen i el desenvolupament de les coses segons un ordre determinat.

La Física atòmica investiga l'estructura interna de l'àtom. L'àtom es considera constituït per un embolcall i un nucli, el qual es es tracta com si fos indivisible. La majoria dels efectes de la Física atòmica es poden entendre tractant els electrons de l'embolcall i el nucli com si fossin constituents fonamentals.

En Física de partícules, a diferència de la Física nuclear, els nucleons del nucli atòmic, els protons i els neutrons, ja no es consideren indivisibles. Estan formats per partícules més petites, els anomenats quarks. Ara la matèria està constituïda, doncs, pels electrons de l'embocall i els quarks, que es descriuen com els components fonamentals de la Natura.
En Física de partícules hi ha encara tota una sèrie d'altres partícules, així com les corresponents antipartícules. Totes aquestes partícules es classifiquen en dos grups: els quarks i els leptons. Juntament amb les partícules d'intercanvi de les 4 interaccions fonamentals constitueixen el Model Estàndard.

La física nuclear tracta el nucli atòmic com a no indivisible, a diferència de la física atòmica. En concret, el considera format de nucleons. Els nucleons són els protons, les partícules elèctriques carregades positivament, i els neutrons, partícules elèctricment neutres que pesen més o menys el mateix que els protons. En física nuclear es consideren partícules fonamentals tant els electrons de l'embolcall com els protons i els neutrons del nucli.

S'anomena foto la també denominada partícula de llum. No tenen massa i van a la velocitat de la llum. Són les partícules responsables de la interacció electromagnètica.

Sota el concepte d'interacció s'hi inclouen tres fenòmens diferents: la desintegració, la producció i la força.
Hi ha 4 interaccions diferents: la interacció forta, la interacció electromagnètica, la interacció feble (o dèbil) i la interacció gravitatòria.
Les interaccions tenen lloc a través de les anomenades partícules d'intercanvi. Cada interacció té les seves pròpies partícules d'intercanvi.

Els leptons són les partícules que no interaccionen fortament perquè no tenen color. Els que existeixen són l'electró, el muó, el tau, i cadascun dels neutrins que els corresponen. Amb aquests es fa un grup de 6 partícules; si es tenen en compte les seves corresponents antipartícules, es compten, en total, 12 leptons.

S'entén per longitud d'ona la distància entre dos pics consecutius de l'ona, o, el que és el mateix, la distància entre dos valls consecutives. En el cas de les ones electromagnètiques les longituds d'ona són d'un ordre de magnitud que va des dels 10²m fins als 10^-12m.

El Model Estàndard és una teoria que estableix que el nostre món material es va crear a partir dels components fonamentals, és a dir, els grups de quarks i leptons, i per les forces fonamentals, és a dir, les quatre interaccions, i que està format per aquests components i aquestes forces.

Una molècula és la unió de varis àtoms. Per exemple, l'aigua és una unió de dos àtoms d'hidrogen amb un d'oxigen (en símbols: H₂O). La mida de les molècules és d'uns 10^-9m.

El muó pertany al grup dels leptons, a la segona generació, i té la mateixa càrrega que l'electró, o sigui -1e, de manera que es pot interpretar com un electró pesat.
El muó no és estable, sinó que es desintegra en 10^-6s, donant lloc a un electró, un anti-neutrí electrònic i un neutrí muònic.
Els muons s'originen, per exemple, a les capes superiors de l'atmosfera terrestre, a partir dels rajos còsmics. A causa de la seva relativament curta vida, però, molt pocs arriben a la superfície de la Terra.

Per simplificar, en aquest Recorregut s'entén per neutrí, en general, el neutrí electrònic. En aquest cas es tracta d'una partícula elèctricament neutra, pràcticament sense massa, que intervé, per exemple, en la radiació ß.
Si es considera la totalitat de les partícules fonamentals, hi ha dos neutrins més: el neutrí muònic i el neutrí tauònic. A més a més, per cadascun d'aquests tres neutrins hi ha les corresponents antipartícules, els antineutrins.
Els sis neutrins tenen en comú que no tenen càrrega elèctrica, i que la seva massa és molt petita. Això els permet anar a una velocitat propera a la de la llum. Són accelerats fins a aquesta velocitat a través de la interacció feble. Els neutrins provenen, per exemple, del Sol, i poden travessar la Terra sencera sense problemes; de fet, cada segon grans quantitats de neutrins atravessen el cos de les persones. Son, però, inofensius.

El neutró és un dels dos components fonamentals del nucli atòmic. Com el seu nom indica, el neutró és elèctricament neutre. Té una massa en repòs d'uns 938 MeV i, dins del nucli atòmic, és estable. Fora del nucli es desintegra en aprox. 17 minuts, donant lloc a un protó, el component fonamental del nucli amb càrrega elèctrica positiva, un electró i un antineutrí electrònic.
El neutró no és una partícula fonamental, ja que està formada de dos quarks down i un quark up

S'anomenen nucleons els components fonamentals del nucli, és a dir, els protons, amb càrrega elèctrica positiva, i els neutrons, elèctricament neutres. El nom nucleó prové de la paraula grega nuckleos (nucli).

El nucli atòmic està format per protons, carregats positivament, i neutrons, elèctricament neutres. Els protons i els neutrons són anomenats nucleons, ja que són els contintuents del nucli. El nucli atòmic té un diàmetre d'uns 10^-14m i conté més del 99% de la massa total de l'àtom.
La pertinença de l'àtom a un element fixa la càrrega elèctrica del nucli, és a dir, el nombre de protons que té. El nombre de neutrons, però, no està fixat, i oscil·la al voltant del nombre de protons. Segons el nombre de neutrons, que determina el nombre de nucleons nucli, es tenen diferents pesos pel nucli atòmic. Aquestes variacions en un element químic s'anomenen isòtops.

S'anomena objectiu (en anglès target) una zona en la que, en disparar-hi partícules, es produeixen reaccions que aporten nova informació. En els acceleradors de partícules els objectius es troben dins dels detectors. D'aquesta manera les partícules creades en l'objectiu poden ser detectades, la qual cosa permet descobrir noves partícules o altres coses interessants.
Els objectius poden estar fets de diferents materials. Hi ha, per exemple, objectius de metall, d'hidrogen o d'altres gasos. A més a més, poden variar en la forma i en el gruix.

En Física s'entén per ona el moviment oscil·latori periòdic d'un material. Per exemple, una superfície d'aigua pot presentar ones. Si el moviment oscil·latori és regular, es poden definir certes propietats de les ones, per exemple la longitud d'ona, la velocitat amb la que oscil·la o amb la que es desplaça. També poden veure's com ones, per exemple, les gràfiques de les funcions sinus o cosinus.
Hi ha diferents tipus d'ones. Hi ha ones transversals, en les que la ona oscil·la perpendicularment a la direcció de propagació, i ones longitudinals, en les que la ona oscil·la en la mateixa direcció que en la que es propaga.

Es consideren partícules fonamentals aquelles partícules que, fins on se sap ara per ara, no tenen estructura interna, és a dir, semblen ser indivisibles. Són partícules fonamentals els 6 quarks i els 6 antiquarks, així com els 6 leptons i els 6 antileptons.

El positró, amb càrrega elèctrica positiva, és l'antipartícula de l'electró. Té la mateixa massa que l'electró, o sigui 0,511 eV, una càrrega de +1e, és a dir, una càrrega electrònica positiva, i és estable, com l'electró. El positró, però, no apareix pràcticament a la Natura, la qual cosa s'explica perquè tots els positrons troben, en algun lloc, un electró que els aniquila, donant lloc a radiació.

El protó és el component fonamental, carregat positivament, del nucli atòmic. És estable i té una càrrega de +1e, és a dir, una càrrega electrònica positiva. La seva massa és de 938 MeV aproximadament.
El protó va ser descobert els anys 20 del s. XX per J.J. Thomson, el descobridor de l'electró.
Segons el model de quarks, el protó no és una partícula fonamental, sinó que està format per partícules més petites: dos quarks up i un quark down.

Els quarks són un grup de partícules fonamentals de l'Univers. D'entre ells, però, només els de la primera generació són responsables de la formació de la matèria estable que ens envolta. Els quarks de la primera generació són el quark up i el quark down, així com les seves corresponents antipartícules. En les dues altres generacions s'hi troben el quark charm, el quark strange, el quark top, el quark bottom i les seves corresponents antipartícules. Amb això el grup dels quarks queda format per 6 partícules i 6 antipartícules.
Tots els quarks tenen en comú que tenen una càrrega elèctrica fraccionària respecte càrrega electrònica: o bé 1/3 o bé 2/3. Els seus símbols depenen del quark en qüestió.
IMPORTANT: Els quarks no es troben aïllats, sinó formant sempre combinacions de 2 o 3.!!!
Combinats de tres en tres, els quarks up i down formen, els nucleons.

S'anomena radiació còsmica a la radiació de partícules provinent del cosmos i que arriba contínuament a la Terra. També se la podria anomenar "vent de partícules". Consisteix, entre d'altres, en protons d'origen desconegut i en neutrins, que arriben a la Terra provinents del Sol. Aquestes partícules s'anomenen partícules primàries, perquè son les que arriben a l'atmosfera. La majoria dels neutrins travessen l'atmosfera i la Terra sense ser alterats. A nivell del mar, cada segon un munt d'ells penetren el cap de les persones.
En entrar a l'atmosfera terrestre, els protons reaccionen amb les molècules de l'aire, donant lloc a les anomenades partícules secundàries, com positrons, l'antipartícula de l'electró, carregada positivament.

S'entén per radiació electromagnètica tota radiació formada per fotons. Són radiació electromagnètica la llum visible, les ones de radio i de televisió, els rajos x, la radiació gamma, les microones, i algunes més. Totes aquestes radiacions només es diferencien en la longitud d'ona. La radiació electromagnètica, igual que la radiació de partícules, té tant propietats de partícules (fotons) com d'ones.

Es denomina radiació x la part de la radiació electromagnètica que té una longitud d'ona de l'ordre de 10^-8-10^-11m. Aquestes longituds d'ona curtes fan que es tracti d'una radiació molt energètica, amb una capacitat de penetració molt gran. Per això s'utilitza en medicina per fer radiografies.
La radiació x es crea quan partícules carregades, en general electrons, són frenades de cop. Llavors, l'energia dels electrons s'allibera en forma de fotons energètics. Aquests fotons són els que constitueixen la radiació x.

És una tàctica per relacionar el sentit d'un camp magnètic amb el sentit en què es mouen les partícules negatives i el de la força que actua en elles: Si amb el dit polze de la mà esquerra se senyala la direcció en què es mouen les partícules negatives i amb el dit índex la direcció del camp magnètic, llavors el dit índex indica la direcció de la força que actua sobre els electrons.

La velocitat de la llum és una constant de la Natura. Indica com de ràpid es propaga la llum en el buit, i el seu valor és 299792458 m/s. Això vol dir que la llum recorre 299792,458 km cada segon.
Més informació sobre el descobriment i la mesura de la velocitat de la llum pot trobar-se en aquest enllaç: http://www.ebgymhollabrunn.ac.at/ipin/ph-chist.htm