Capítol 1. Els components de la matèria

Context

Aquí, es fa una relació dels elements més simples que constitueixen la matèria. La qüestió és complexa i aquí la pretensió és solament posar alguns noms i començar. Aquesta la podem tocar amb els nostres sentits, o podríem tocar-la si ens hi acostéssim prou o bé si la cosa material es fes prou gran o no fos perillosa de tocar com el foc. També la podem percebre amb els nostres sentits químics, l’olfacte i el gust, i així mateix també a certa distància per les vibracions que origina o que transmet, siguin trameses com a sons per l’aire o electromagnètiques, visibles com a fotons.

Que en sabem avui dia dels fonaments de la matèria. Aquells àtoms organitzats amb nuclis fets de protons i neutrons i a la vegada orbitats per electrons, com si foren sistemes solars en miniatura, es veu ara que són més complexos i imprevisibles.

Amb la utilització d’acceleradors de partícules es fa col·lidir fragments de matèria a grandíssima velocitat amb el resultat de fragmentar els elements més petits amb partícules individuals encara més petites, amb massa o sense, amb càrrega o sense (Quadre I).

Així es pot identificar en primer lloc, els Fermions, que constitueixen tota la matèria, formats per partícules elementals com són 6 tipus diferents de Quarks (6 sabors,  i a més, també 3 possibles colors, que és una forma de referir-se a certes diferències físiques entre ells), i 6 tipus de Leptons (entre ells els electrons, positrons i neutrins). Sembla que per cada quark i cada leptó pot existir la seva pròpia antipartícula, tot plegat potser 24 individus materials. Només en situacions d’altes temperatures o densitats, els quarks esdevenen quasi lliures dins una fase desconfinada de plasma de quarks i gluons (figura 1).

Aquestes partícules individuals s’agrupen de manera ordenada formant Hadrons que són sistemes lligats, partícules compostes en els nuclis atòmics com els Barions, que són els Protons i els Neutrons, cadascun format per 3 quarks generalment diferents, i els Mesons (formats per un quark i un antiquark).

També hi ha partícules portadores d’interacció per permetre la relació entre les partícules anomenades abans. Una interacció és una força entre dues o més partícules. Les partícules que porten la força d’interacció són els Bosons. Cada una de les forces fonamentals en l’organització de la matèria tenen els seus bosons. La força electromagnètica utilitza els bosons gamma o Fotons que no tenen massa ni càrrega i viatgen a la velocitat de la llum. Els fotons permeten la formació de molècules en promoure la interacció dels àtoms. La força d’interacció forta utilitza els diversos bosons g o Gluons que es comporten com un pegament sense massa. Els gluons mantenen units als quarks dels protons i neutrons. La força d’interacció dèbil és portada per alguns bosons i afecta els quarks en transformar una part de la seva massa en radiació. Finalment, la quarta força fonamental, la gravetat, és una pertorbació de l’espai i el temps a prop de les acumulacions de massa, encara que afecta a totes les partícules amb massa o sense i amb càrrega o sense. Aquesta força potser podria estar portada per Gravitons.

Quadre I. Resum de les principals partícules i combinacions

Fermions. Juntament amb els bosons, són les partícules fonamentals de la matèria. Existeixen només dos tipus de fermions: els quarks i els leptons.

Quarks. Són un tipus de partícula subatòmica elemental. Les fortes interaccions entre quarks constitueixen la matèria dels nuclis atòmics. Els quarks són les partícules de les quals protons i neutrons estan fets. Interactuen lliurement amb les quatre forces físiques elementals: força gravitatòria, força electromagnètica, força nuclear forta i força nuclear feble. De la mateixa manera en què existeix matèria i antimatèria, existeixen també quarks i antiquarks.

Leptons. Són un tipus de fermió, dotat d’espín ½ (sigui + o -) i que no experimenta, a diferència dels quarks, la interacció nuclear forta de la matèria. Existeixen sis tipus de leptons: electrons, muons, taus, neutrins electrònics, neutrins muònics i tau neutrins. Els tres primers tenen càrrega elèctrica +1 o -1, i els altres càrrega 0.

Bosons. Al costat dels fermions, són les partícules fonamentals de la matèria, Són exemples de bosons els fotons, gluons i gravitons, és a dir, partícules que porten les forces conegudes.

Mesons. Són hadrons que responen a la interacció nuclear forta, per la qual cosa estan fets de quarks, d’acord amb l’estat quark-antiquark.

Barions. Estan composts per tres quarks i els seus exemples més representatius són el neutró i el protó, encara que també existeixen altres tipus, summament inestables.

Hadrons.Són sistemes lligats, partícules compostes en els nuclis atòmics com els Barions, que són els Protons i els Neutrons, cadascun format per 3 quarks generalment diferents, i els Mesons (formats per un quark i un antiquark).

Figura 1. Tipus de Quarks. Els quarks són partícules elementals i es combinen per formar partícules compostes anomenades hadrons (protons i neutrons) i no es troben en solitari. Tenen propietats com càrrega elèctrica i massa, i alguna altra com càrrega de color i espín de més difícil descripció. Hi ha sis tipus de quarks coneguts com a sabors: dalt (u, upper), baix (d, down), estrany (s, strange), encant (c, charme), fons (b, bottom) i cim (t, top). Els quarks u i d són generalment estables i els més comuns en l’univers. En el dibuix de ChatGPT es mostra un protó format per dos quarks dalt (up) i un baix (down). Els neutrons estan formats per un quark dalt i dos quarks baix.