Descoperirea electronului, în secolul al XIX-lea, poate fi interpretată ca perioada în care a luat naștere și a făcut primii pași fizica particulelor elementare. Experimentatorii din acea vreme foloseau transformatoare tip Ruhmkorff pentru a genera pulsuri de tensiune înaltă și tuburi vidate, dotate cu electrozi pe care se aplica tensiunea înaltă, pentru a observa și apoi studia descărcările electrice care aveau loc. Descărcările au fost denumite raze catodice și fluorescența, observată de Röntgen, generată de interacția acestora cu o sare de bariu, a dus la descoperirea razelor X (startul radiologiei și al imagisticii medicale).
La sfârșitul secolului al XIX-lea, fizicianul englez J.J. Thomson a realizat un aranjament experimental în care razele catodice traversau un câmp electric și unul magnetic, cu ajutorul căruia a descoperit că razele catodice sunt formate din corpusculi (identificați mai târziu cu electronii) încărcați cu sarcină electrică negativă și raportul dintre masa și sarcina lor este o constantă. Totodată, J.J. Thomson a reușit să facă o primă estimare a valorii sarcinii electrice a electronului folosind o cameră cu ceață construită de fizicianul meteorolog C.T.R. Wilson.
La sfârșitul secolului al XIX-lea erau cunoscute doar două tipuri de forțe electromagnetică (coulombiană) și gravitațională. În anul 1900, Max Planck explică spectrul radiației emise de un „corp negru” prin ipoteza că radiația electromagnetică emisă este divizată în mici pachete (cuante) de energie proporțională cu frecvența radiației.
Pentru a explica emisia de raze catodice (electroni) la iluminarea unei suprafețe metalice, în anul 1905, Einstein face ipoteza că lumina este formată din cuante de energie proporțională cu frecvența, iar energia cinetică a electronului emis este dependentă doar de frecvența cuantei, nu și de intensitatea fluxului de lumină. Experimentul lui Compton (1923) – deplasarea spre lungimi de undă mai mari a luminii după ciocnirea cu o particulă aflată în repaus – pune capăt controverselor teoretice care au urmat publicării efectului fotoelectric. Concluzia experimentului Compton a fost că la nivel sub-atomic cuanta de lumină are comportarea unei particule de masă nulă care a fost denumită foton.
Pentru a explica de ce nucleul atomic nu se rupe din cauza repulsiei (de tip coulombian) dintre sarcinile electrice pozitive, a fost introdusă ipoteza existenței unei noi forțe a naturii – forța tare. Aceasta se presupunea că acționează la distanțe foarte mici – de dimensiunea nucleului – după care acțiunea acesteia scade rapid la zero. Prima teorie a forței tari a fost propusă de fizicianul japonez Yukawa (1934) care a propus existența unor particule, numite mezoni, cu o masă de 200-300 ori mai mare decât cea a electronilor, care sunt schimbate între nucleoni (protoni și neutroni), mediază adică interacția inter-nucleonică.
O altă descoperire de referință în fizica particulelor elementare este anti-particula. Fizicianul englez Paul Dirac a publicat în anul 1927 două articole cu privire la funcția de undă a electronilor relativiști care permitea ca electronul să ocupe două stări, una cu energie pozitivă și cealaltă cu energie negativă. În anul 1931, într-un experiment dedicat studiului razelor cosmice folosind plăci de plumb și o cameră cu ceață, fizicianul american Carl D. Anderson descoperă pozitronul (anti-particula electronului).
Folosind aceeași tehnică ca și în cazul pozitronului, C.D. Anderson și Seth Neddermeyer descoperă (1937) o altă particulă elementară (mezotron) – greșit asociată la început cu mezonul din teoria Yukawa. Primul mezon a fost detectat, în anul 1947, folosind emulsii nucleare plasate la altitudine mare. În 1947, Powell şi colaboratorii, utilizând emulsii nucleare, descoperă o nouă particulă încărcată (pionul), care se încadra în modelul lui Yukawa şi care se dezintegra în mezotronul descoperit în 1937.
În 1949, mai multe grupuri printre care Leighton şi colaboratorii, pun în evidenţă spectrul continuu de energie al electronilor proveniţi din dezintegrarea mezotronului şi concluzionează că acesta se dezintegrează într-un electron şi doi neutrini, fiind deci o particulă cu spin ½ (fermion). Aceste ultime momente se poate spune că au marcat sfârşitul unei perioade foarte tumultoase din fizica particulelor. Mezotronul s-a dovedit de fapt a fi un electron greu, numele său fiind schimbat în µ-mezon apoi muon şi ataşat mai târziu clasei leptonilor.
După cel de-al II-lea Război Mondial, laboratoarele americane de cercetare militară (Los Alamos, Berkeley, Argonne, etc.) au început și programe de cercetare dedicate fizicii fundamentale, iar universitățile americane au inceput să colaboreze în scopul formării de laboratoare regionale. Deoarece programele de cercetare fundamentală deveneau din ce in ce mai complexe, a apărut necesitatea ca laboratoarele de cercetare din țări diferite să colaboreze între ele (colaborare internațională).
Pentru a satisface această necesitate au luat naștere Centrul European pentru Studii Nucleare (CERN-Geneva) în anul 1954 și Institutul Unificat de Cercetări Nucleare (JINR-Dubna) în 1956.
Anii ’50 sunt anii în care fizica acceleratoarelor de particule (în special de electroni și protoni) a luat amploare. Razele cosmice au fost astfel înlocuite cu fascicule accelerate care loveau ținte fixe, camera cu ceață a lăsat locul unui detector mai sensibil -camera cu bule, aranjamentele experimentale devin mai complexe utilizându-se combinații de detectori pentru a se măsura timpul de zbor al particulelor (detectori cu scintilație) sau pentru a selecta particule cu viteza peste un anumit prag (detectori Cherenkov).
Astfel, într-un deceniu, au fost descoperite o multitudine de noi particule: antiprotonul și antineutronul, noi particule cu stranietate (primele au fost observate în emulsii nucleare ), noi mezoni (apare termenul de spectroscopie mezonică). Era nevoie de un model care să facă o clasificare a particulelor – sinonim cu tabelul Mendeleev din chimie.
Modelul de quarcuri, propus de Gell-Mann, introducea ipoteza că fiecare hadron (barion sau mezon) este format din particule elementare numite quarci, cu sarcină electrică sub-unitară, care sunt de trei tipuri (arome): up (u), down (d) și strange (s). Totodată, fiecărui tip de quark îi corespunde un anti-quark de sarcină electrică opusă. Modelul prevedea două reguli de compunere: mezonii sunt compuși din doi quarci (quark-antiquark), iar barionii sunt compuși din trei quarci sau trei antiquarci în cazul antibarionilor.
În anul 1974 este descoperit un nou mezon cu o masă de trei ori mai mare decât cea a protonului și cu sarcină electrică nulă, care a fost numit J/psi, iar compoziția lui nu putea fi explicată decât prin existența (postulată de Glashow, Iliopoulos și Maiani cu un an înainte) a unui nou tip de quark – charm (c). Prin apariția celui de-al patrulea quark, numărul de combinații de quarcuri creștea, astfel că se aștepta descoperirea unor noi particule grele. Și, într-adevăr, noi barioni si mezoni grei au fost descoperiți în anii ce au urmat, confirmând existența quarcului de tip charm.
Pentru a explica violarea simetriei CP, în anul 1975, este postulată (Kobayashi și Maskawa) existența unei alte perechi de quarci. Doi ani mai târziu este detectat quarcul „bottom” (b). Ultimul, și cel mai greu, „top” (t) a fost detectat mult mai târziu, în anul 1995, la cel mai puternic accelerator de particule din acea vreme, Tevatron( Fermilab).
De la sfârșitul anilor ’70, fizica particulelor este guvernată de Modelul Standard. Conform acestuia, materia, la nivel fundamental, este formată din trei perechi de quarci, trei perechi de leptoni și particulele care mediază trei din cele patru forțe fundamentale, gluonii ca mediatori al forței tari, W și Z mediatori ai forței slabe și fotonul care mediază interacția electromagnetică.
Pentru a explica cum particulele fundamentale au căpătat masă, teoreticianul Peter Higgs a introdus existența unui câmp universal de forță, astfel interacția particulelor fundamentale cu acest câmp de forță duce la apariția masei. Particula mediatoare a acestui mecanism a fost numită Bosonul Higgs, dar masa acesteia nu a putut fi calculată cu precizie de teorie. Acceleratorul LHC de la CERN, cel mai puternic accelerator din lume, a fost construit (și) cu scopul de a detecta și măsura masa Bosonului Higgs.
În România, istoria fizicii particulelor începe în anul 1961, când a fost înființat, în cadrul Institutului de Fizică Atomică de la Măgurele, primul laborator de cercetare dedicat fizicii particulelor elementare la energii înalte. În următoarele trei decenii, cercetătorii de aici au participat la experimente efectuate cu precădere la JINR-Dubna.
Astfel se pot aminti, într-o ordine aproximativ cronologică:
- studii ale dezintegrării pionilor, folosind protoni de 680 MeV/c produși la ciclotronul de la JINR-Dubna, în emulsii nucleare;
- producerea de particule în ciocniri ale pionilor (cu energia de 4 și mai târziu 40 GeV/c) produși la acceleratorul Serpukhov pe diverse ținte (nucleoni, nuclee ușoare și grele) folosind o cameră cu bule cu propan;
- producerea de particule în ciociri nucleu-nucleu la 4.2 GeV/c/nucleon folosind aceeași cameră cu propan și acceleratorul sincrofazotron de la Dubna;
- producerea de rezonanțe multi-quarc în camera de un metru cu bule cu hidogen lichid la acceleratorul sincrofazotron de la Dubna; studii asupra ciocnirii pionilor cu diverse nuclee;
- producerea de hyperoni în ciocniri pion proton la sincrotronul de protoni de la CERN folosind camere cu bule;
- investigarea producției de barioni cu charm în ciocniri neutron-proton folosind fascicolul de neutroni cu energia de 40-70 GeV/c de la Serpukhov și un spectrometru magnetic;
- producerea de particule în anihilarea proton-antiproton.
După anii ’90, grupul de energii înalte a început să crească numeric prin angajarea de tineri doctoranzi. Colaborarea cu Dubna a continuat dar în același timp a apărut oportunitatea de a avea acces la alte laboratoare internaționale sau regionale. Astfel, au fost continuate studiile de anihilare antiproton-nucleu la energii mici folosind inelul de stocare LEAR de la CERN (experimentul OBELIX); producerea de stări legate charm-anticharm și bottom-antibottom în ciocniri ale protonilor de 450 GeV cu diverse nuclee țintă, precum și deconfinarea plasmei de quarci-gluoni în ciocnirea nucleelor de plumb la CERN SPS (experimentul NA50).
Interacția tare kaon-nucleon la energie joasă a fost studiată la acceleratorul DAFNE de la Frascati prin producerea de atomi exotici (experimentele DEAR și SIDDHARTA), căutarea de stări legate noi în ciocniri electron-proton la acceleratorul HERA (experimentul H1).
În prezent, Departamentul de Fizica Particulelor Elementare este implicat cu prioritate în experimentele CERN. La CERN SPS (Super Proton Synchrotron), în cadrul experimentului NA62, se măsoară dezintegrările extrem de rare ale mezonului K într-un pion și o pereche neutrino-antineutrino, cu scopul de a determina cu precizie unul din parametrii Modelului Standard.
În cadrul experimentului ATLAS, cel mai mare experiment al LHC, Departamentul nostru participă prin Clusterul ATLAS România, ale cărui activități sunt parțial finanțate de Ministerul Educației și Cercetării (ATLAS – Capacities Programme Module III – CERN / 03.01.2012). Membrii acestui proiect sunt IFIN-HH, București, ITIM Cluj-Napoca, Universitatea Politehnica București, Universitatea Alexandru Ioan Cuza, Iași, Universitatea de Vest, Timișoara și Universitatea Transilvania, Brașov.
Clusterul ATLAS din România caută evidențe experimentale privind existența particulelor supersimetrice, studiază aspecte fenomenologice ale Modelului Standard (SM) al particulelor elementare și ale unor modele care extind SM, contribuie la operarea și întreținerea detectorului ATLAS, studiază performanțele funcționării detectorului, contribuie la dezvoltarea aplicațiilor dedicate achiziției de date (Trigger and Data Aquisition – TDAQ), a dezvoltat și intreține o infrastructură performantă de tip GRID pentru prelucrarea și stocarea datelor ATLAS, contribuie cu dezvoltări tehnologice proprii la programele de tip UPGRADE ale experimentului ATLAS și dedică o atenție deosebită activităților de tip outreach.
Tot la LHC, în cadrul experimentului LHCb se face analiza producțiilor de particule în coliziuni proton-proton la energii de 2.76, 7, 8 și 13 TeV, cât și în coliziuni proton-plumb cu energie de coliziune pe sistemul nucleon-nucleon de 5 TeV. Totodată, se desfășoară analize și măsurări ale parametrilor de dezintegrare ale barionilor „beauty” și s-a inițiat un program de analiză a dezintegrărilor particulelor „charm”.
