El recorregut per la Física de Partícules

A part dels dos instruments citats a dalt, n'hi ha d'altres que serveixen per fer "visibles" estructures petites. Un és l'anomenat microscopi electrònic; un altre és l'accelerador de partícules.

En el dia a dia veiem objectes amb els ulls

Si els objectes són massa petits, els podem ampliar amb una lupa.

I si no n'hi ha prou amb una lupa, s'utilitza un microscopi òptic.

Tots aquests instruments òptics, o sigui els ulls, la lupa i el microscopi òptic, funcionen amb llum.

Fins ara coneixies la llum com a raigs de llum. Això era un model de la llum, una forma de descriure-la útil pel tractament geomètric del funcionament de la lupa, el microscopi i altres instruments òptics.
Ara un es pot imaginar, tanmateix, que aquests raigs de llum estan formats per petites partícules, de manera semblant a com un raig d'aigua pot considerar-se format per gotetes d'aigua. Això és un altre model de la llum, que aquí ens prepararà per explicar altres fenòmens observables.
Aquestes minúscules partícules de les quals està formada la llum s'anomenen partícules de llum o fotons.

Si considerem que la llum està formada per fotons, podem imaginar que la lupa i el microscopi funcionen de la manera següent:
Les partícules de llum, que també es poden denominar, de forma més general, partícules de prova, xoquen contra l'objecte que es vol contemplar i són reflectides cap als ulls, directament o bé a través d'instruments òptics com la lupa o el microscopi. Gràcies a això els objectes es fan "visibles".

Si considerem que també el propi objecte està compost per petites partícules, que denominarem partícules d'objectiu, llavors podem interpretar que les partícules de prova serveixen per investigar l'estructura de l'objecte. Segons la direcció en què les partícules de prova siguin desviades per les partícules d'objectiu, es poden treure conclusions sobre l'estructura de l'objecte investigat.

Una possible resposta és que el principi de la investigació de l'estructura sigui així:
Es tenen partícules de prova i partícules d'objectiu. Les partícules de prova cauen sobre les partícules d'objectiu i reboten segons un determinat angle de desviació. Si s'observa la desviació de les partícules de prova, es poden treure conclusions sobre l'estructura de l'objecte.

Amb els fotons de la llum visible, el lloc en el qual aquests troben l'objecte a observar només es pot determinar de forma limitada. Per aquest motiu les estructures petites ja no són distingibles. En aquest context es parla de capacitat de resolució de la llum. La capacitat de resolució és el límit en el qual les partícules de prova encara poden representar estructures.

Tanmateix, amb partícules de prova que tinguin energies més grans, es pot determinar millor el lloc on aquestes troben l'objecte. Es pot concloure que els fotons de la llum visible són partícules de prova amb energia massa baixa com per fer distingibles estructures molt petites. La seva capacitat de resolució té un límit.

Que les partícules amb més energia tinguin una millor capacitat de resolució només pot entendre's amb ajuda de la Mecànica quàntica. Pot trobar-se més informació aquí. Un pot imaginar-se a sí mateix intentant passar a través d'una porta en un tren que corre tambalejant-se molt. Si un va a poc a poc (és a dir, amb poca energia cinètica), li costarà passar a través de la porta. En canvi, si un va ràpid (amb més energia cinètica), encertarà el forat de la porta més fàcilment.

En general, es pot dir:

Quan els objectes a investigar són tan petits que les seves estructures ja no poden ser representades per llum visible, llavors es poden agafar fotons amb energia més alta com a partícules de prova. D'aquests tipus de fotons en té, per exemple, la radiació X. Tot i així, els fotons amb alta energia no són molt apropiats per als experiments, perquè no se'ls pot focalitzar amb lents com es fa en un microscopi òptic. No existeixen lents per als raigs X! És més adequat utilitzar altres partícules amb alta energia que sí puguin ser focalitzades i, per tant, dirigides cap a llocs determinats de l'objecte a observar.

Els electrons són apropiats com a partícules de prova, ja que poden ser focalitzats gràcies a la seva càrrega elèctrica. Per això s'ha inventat l'anomenat microscopi electrònic, en el qual es disparen electrons altament energètics contra l'objecte, enlloc de fotons, produint una imatge.

Potser ja has vist alguna vegada, a biologia o en medicina, imatges de microscopi electrònic. Amb un microscopi electrònic els objectes es poden ampliar fins a tal punt, que fins hi tot es poden produir imatges d'àtoms!

En física de partícules s'han d'investigar estructures que són més petites encara que els àtoms (l'anomenat món subatòmic). Aquí les estructures s'investiguen amb acceleradors de partícules, els "microscopis de la física de partícules".

Les partícules que es troben amb l'objecte a investigar i que després produeixen la "imatge" de les estructures, tenen una energia encara més alta que la dels electrons dels microscopis òptics.

En Física de partícules, doncs, per investigar estructures s'utilitzen partícules de prova altament energètiques i molt petites.

Per poder presentar-te la segona condició gràficament, vet aquí una simulació com exemple:

Un objecte desconegut s'oculta en una cova fosca, i es vol deduir la seva forma llançant pilotes de diferent mida (de basquet, de tenis, i bales). 

Utilitzes primer les pilotes de basquet, força grans, i observes a quins llocs xoquen les pilotes. Veus el següent:

Com que encara no es pot reconèixer la forma, llances les pilotes de tennis, més petites. Obtens una imatge més exacta:

Ara ja es reconeixen siluetes més exactes de l'objecte, però per poder-les reconèixer millor, llances les bales, que són bastant petites:

Ara pots veure que es tracta d'un ós.

Aquest exemple mostra, doncs, que l'estructura d'un objecte es pot investigar més exactament com més petits són els "projectils".

Una exemple històric relacionat amb el tema de la investigació de l'estructura amb objectes petits és l'anomenat e Experiment de la dispersió de Rutherford.

En física de partícules s'anomenen "projectils" les partícules agrupades en un feix de partícules, i l'objecte a investigar s'anomena blanc.

Els "microscopis de la física de partícules", els acceleradors, funcionen amb feixos de partícules i blancs. Pots aprendre més detalls sobre els acceleradors de partícules a la pàgina següent, acceleradors.