Atomii din care este compusă materia conţin un număr relativ mic de particule: quarcuri şi electroni. Comportamentul acestora este descris de către teoria denumită modelul standard al fizicii particulelor elementare. Cât de mici sunt însă aceste particule? Experimentul ZEUS a încercat să măsoare quarcurile – reuşind însă să pună doar o limită superioară asupra posibilei lor dimensiuni.
Materia este alcătuită din atomi. Atomii au fost descoperiţi circa 100 de tipuri de atomi diferiţi, care compun practic tot ceea ce ne înconjoară. La rândul lor atomii sunt alcătuiţi din electroni, care orbitează în jurul unui nucleu ce conţine protoni şi neutroni. Numărul de protoni, egal cu numărul de electroni, caracterizează atomii. Astfel, aromii de hidrogen conţin un singur proton, în timp ce cei de carbon, de exemplu, au în nucleu lor 6 protoni.
Protonii şi neutronii sunt la rândul lor alcătuiţi din quarcuri – un proton conţine două quarcuri “up” şi unul “down”, în timp ce un neutron conţine două quarcuri “down” şi unul “up”.
Vedem deci că atomii la urma urmei sunt cu toţi alcătuiţi doar din 3 tipuri de particule: quarcuri “up” şi “down” şi electroni. Aceste particule sunt considerate elementare, întrucât nu a fost descoperită o structură a acestora.
Mai multe experimente au încercat să măsoare dimensiunea quarcurilor, efectuând ciocniri de electroni cu protonii, în ideea că dacă quarcurile au dimensiuni măsurabile, acestea se reflectă asupra modului în care electronii sunt împrăştiaţi în urma ciocnirilor.
Exact acestă metodă a fost folosită de către experimentul ZEUS care a colectat date la acceleratorul HERA (Hadron-Elektron Ring Anlage) din Hamburg în perioada 1992-2007.
În toţi aceşti ani colaborarea ZEUS a studiat diverse aspecte ale structurii materiei şi compoziţiei protonilor şi a publicat numeroase articole în reviste ştiinţifice.
De curând datele achiziţionate de ZEUS au fost reanalizate pentru a se încerca măsurarea dimensiunii quarcurilor.
În final ZEUS nu a observat efecte măsurabile care să demonstreze cum că aceste particule considerate la ora actuală elementare ar avea o dimensiune, motiv pentru care a fost posibilă doar stabilirea unei limite superioare privind dimensiunea quarcurilor.
Aceasta este de 0,43 x 10-18 m. O dimensiune cu adevărat extrem de mică!
Cât de mic este acest număr? Să vedem o comparaţie cu alte dimensiuni din lumea atomică şi subatomică.
Limita superioară a dimensiunii quarcurilor este de circa 2000 de ori mai mică decât rază protonului, care, la rândul ei, este de aproximativ 60.000 de ori mai mică decât raza atomului de hidrogen.
Atomul de hidrogen este de circa 40 de ori mai mic decât rază unei molecule de ADN, care este de un milion de ori mai mică decât un grăunte de nisip! Cu adevărat ameţitor!
Putem deci afirma cum că quarcurile nu au dimensiuni şi, împreună cu electronii, sunt particule “punctiforme”? Nu, acest lucru nu este posibil, întrucât dacă am avea instrumente mai puternice – de exemplu acceleratoare cu energii mai mari – poate am descoperi că, la rândul lor, electronii şi quarcurile sunt compuşi din alte particule şi mai mici şi au o dimensiune măsurabilă.
Acesta este unul dintre obiectivele fizicii moderne – să descopere dacă modelul standard al fizicii particulelor elementare este o aproximaţie a unui model care descrie şi mai bine fenomenele care au loc în Univers. Ştim deja că aceasta este realitatea, întrucât în Univers pe lângă materia compusă din particulele din modelul standard există şi materie şi energie întunecate. Rămâne să vedem dacă în viitorul apropiat vom descoperi noi particule care să ne ajute să înţelegem care este teoria care va înlocui actualul model standard.