Ce urmează după bozonul Higgs?
Articole similare
A fost 4 iulie 2012, ziua în care a fost anunțată,
de către cercetătorii de la CERN, ca a fost identificat bozonul Higgs,
după aproape cinci decenii de căutări. De dragul preciziei vom spune că
ei au anunțat identificarea unei particule, care ori este mult căutatul
bozon, ori este una care îi seamănă foarte mult (Higgs like particle). A
fost o zi de mare sărbătoare pentru fizicieni, și nu numai pentru ei.
Modelul Standard, teoria fundamentală a mecanicii cuantice, primea o
ultimă confirmare. A fost identificată ultima particulă care completa
teoria. Să fie acesta sfârșitul căutărilor în fizică? Avem, în sfârșit, o
teorie căreia nu trebuie să îi mai adăugăm nimic? Modelul Standard este
teoria supremă a fizicii? Răspunsul nu este, nici măcar pe departe,
unul afirmativ. Să vedem de ce.
Modelul Standard
Modelul standard reprezintă teoria fundamentală a mecanicii cuantice. El descrie matematic particulele elementare și modul în care ele interacționează. Cam aceasta ar fi, în numai două propoziții, o descriere a Modelului Standard.
Deși el poate fi prezentată în atât de puține cuvinte, nu trebuie să cădem în capcana simplității. Modelul Standard, deși simplifică mult mecanica cuantică, este foarte departe de a fi unul simplu. Este un model plin de un formalism matematic cât se poate de abstract, cel puțin pentru noi, oamenii de rând. Dar, pe de altă parte, o dată cu apariția sa, pe la jumătatea anilor 1960, Modelul Standard a dus la clarificarea fizicii care guvernează Universul mic. Aș fi vrut sa vă prezint câteva detalii ale acestuia, dar ne-ar trebui prea multe cuvinte. Ar fi nevoie să scriem o broșură întreagă despre Modelul Standard, asta numai pentru a vă face o introducere. Sper să nu vă supărați pe mine dar, deocamdată, vom apela la o abordare minimalistă.
Conform Modelului Standard avem numai două gupe mari de particule elementare: fermionii (cei din care este alcătuită materia) și bozonii (particulele care intermediază interacțiunile dintre fermioni). Am mai vorbit despre ele, în articolul în care v-am prezentat bozonul Higgs. Avem 12 fermioni și patru bozoni (la care se adauga și ultimul descoperit, bozonul Higgs, cel care dă masă materiei), deci un total de numai 17 particule elementare din care este alcătuit Universul. Desigur, ar trebui aici să adăugăm și antiparticulele, dar despre ele vom vorbi ceva mai încolo. Important este că Modelul Standard a putut realiza predicții foarte precise asupra unor particule care nu fuseseră descoperite încă. Numai ca exemplu vă pot spune ca masele a doi bozoni, W și Z, purtătorii interacției slabe (cea care este responsabilă de dezintegrarea radioactivă a nucleului) au putut fi calculate cu mare precizie înainte ca ei să fie descoperiți. Astfel, conform calculelor bozonul W ar fi trebuit să aibă o masă de 80,390 ± 0,018 GeV. Valoarea măsurată, după descoperirea lui, a fost de 80,387 ± 0,019 GeV. În cazul bozonului Z, masa teoretică era 91,1874 ± 0,0021, în timp ce valoarea măsurată era 91,1876 ± 0,0021 GeV. (Dați-mi voie să fac aici un mic comentariu. Nu ar trebui să vă neliniștească unitatea de măsură a masei, GeV (gigaeletronvolt). Ea este utilizată în mecanica cuantică numai pentru că este mai comod de folosit. Numai așa, de culoare, vă pot spune că în mecanica cuantică și lungimea, și timpul, pot fi exprimate în unități GeV.)
Tabloul particulelor elementare care alcătuiesc Modelul Standard.Iar faptul că Modelul Standard este unul corect a fost confirmat și prin descoperirea ultimului bozon prevăzut de teorie: bozonul Higgs. Suntem deci în fața unui model foarte eficient pentru a studia și descrie lumea cuantică. Mulți afirmă despre Modelul Standard că este cea mai importantă teorie a fizicii din toate timpurile. Foarte probabil că această afirmație este corectă. Dar putem afirma că Modelul Standard este teoria supermă, că nu mai trebuie să îi adăgăm nimic? Răspunsul este, așa cum veți vedea mai departe, unul negativ. Să vedem de ce.
Probleme cu Modelul Standard
Prima dintre ele este evidentă. Dacă ne uităm la lista bozonilor, despre care vă spuneam că intermediază forțele fundamentale ale naturii, veți vedea că nu avem nici unul pentru gravitație. Modelul Standard nu ne spune nimic despre această forță fundamentală a naturii care poartă numele de atracție gravitațională. De aici vine și marea problemă a fizicii moderne. Avem de fapt două teorii extrem de puternice (Modelul Standard și Teoria Relativității), care au existențe aproape independente una de alta. Prima ne poate descrie cu exactitate lumea cuantică, dar nu ne poate spune nimic despre gravitație și a doua, care ne explică comportarea Universului la scară mare, dar nu poate fi aplicată în lumea particulelor elementare.
Mai sunt și alte aspecte în fața cărora Modelul Standard rămâne mut. Interesant este faptul că unele dintre probleme vin din observații asupra Universului la scară mare. Nu încerc să le enunț pe toate și nici nu încerc să intru în prea multe detalii. Dar, din rândurile care urmează cred că ne putem face o imagine asupra neputințelor actualului Model Standard.
Știm acum că materia obișnuită reprezintă numai circa 4,6% din Universul cunoscut. În schimb, am descoperit că mai există o formă de materie, despre care nu știm mare lucru. Este vorba despre materia întunecată, despre care știm că interacționează numai gravitațional cu materia obișnuită. Aceasta reprezintă circa 23 % din Univers. Ei bine, Modelul Standard nu ne oferă nici un indiciu despre această alcătuirea acestei misterioase materii întunecate.
Mai știm, am aflat-o prin 1998, că expansiunea Universului este una accelerată. Până în acel moment se credea că expansiunea universului trebuie să încetinească sub acțiunea forței de atracție gravitaționale. Există, la scara Universului, o forță antigravitațională. Modelul Standard nu poate fi de ajutor pentru a explica acest fenomen.
”Compoziția” Universului: materie întunecată – 26,8%, materie obișnuită – 4,9%, energie întunecată – 68,3%Dacă ne îndreptăm către începutul Universului, știm că în primele fracțiuni de clipită acesta se comporta ca un sistem cuantic. Dar tot atunci, extrem de aproape de momentul inițial s-a produs un fenomen excepțional. În foarte scurt timp Universul și-a mărit foarte brusc volumul. Acest fenomen poartă numele de inflație și în favoarea producerii lui avem dovezi clare, obținute cu ajutorul sondei WMAP. Procesele care au dus la inflația din acea vreme nu pot fi explicate cu ajutorul Modelului Standard.
Tot la începutul Universului ar fi trebuit să se genereze, din imensa densitate de energie a momentului respectiv, cantități egale de materie și antimaterie. Totuși materia a fost produsă în cantități un pic mai mari decât cele de antimaterie. Este vorba, tehnic vorbind, despre violarea simetriei CP (nu vă temeți vom spune mai încolo câteva cuvinte despre ea). De aceea trăim într-un univers dominat de materie. Modelul Standard nu are o explicație pentru această întâmplare.
Așa cum am spus mai devreme, această listă a problemelor legate de Modelul Standard nu este una completă. Dar cred că ați prins ideea. Avem de-a face cu o teorie foarte puternică, una care este capabilă să ne spună foarte multe despre Universul la scara particulelor elementare, dar modelul matematic pe care ni-l oferă nu este capabil să răspundă la o serie de întrebări fundamentale. Din acest motiv este nevoie de o extindere a Modelului Standard, care să poată explica cât mai multe dintre anomaliile prezentate mai sus. De mai multă vreme se vorbește de o asemenea extindere, care a căpătat şi un nume: Modelul Standard Extins (Beyond Standard Model – BSM). Piesa centrală a acestei extinderi o constituie existenţa unor noi particule, superparteneri ai particulelor luate în calcul de actualul Model Standard. Se vorbeşte despre supersimetrie, iar partenerii se numesc supersimetrici.
Vai! Iar m-am grăbit. Am sărit o etapă. Mai întâi trebuie să vă vorbesc despre…
Simetrie
Adică simetrie în sensul mecanicii cuantice. Aţi remarcat, sper, în povestea aceasta a noastră că am amânat de două ori discuţia despre antimaterie. Acum a sosit momentul să vorbim despre ea.
În 1928 P.A.M. Dirac, faimos fizician englez, în încercarea sa de a reconcilia mecanica cuantică cu teoria relativităţii (reconciliere care a rămas o problemă până în zilele noastre) a elaborat o ecuație, care acum îi poartă numele. Ecuația Dirac, valabilă pentru orice particulă încărcată electric, cum ar fi electronii, dezvăluia o simetrie fundamentală a naturii. Este vorba de simetria CP (Charge Parity – Sarcină Paritate). Altfel spus, dacă în ecuația lui Dirac se schimbă semnul sarcinii electrice și semnul coordonatei spațiale ecuația rămâne în continuare valabilă. Pentru orice particulă încărcată electric ar trebui să existe un partener identic din toate punctele de vedere (în sens cuantic, desigur) dar cu semn schimbat. Inițial Dirac nu a vrut să creadă că ecuația lui însemnă o dublare a numărului de particule elementare. Credea că, de exemplu, partenerul cu sarcină pozitivă a electronului ar fi protonul (în acea vreme nu se descoperiseră cuarcii, iar protonul era considerat ca fiind o particulă elementară). Mai apoi, analizând implicațiile, și-a dat seama că acest lucru este imposibil. A înțeles că există o simetrie fundamentală în lumea aceasta, a mecanicii cuantice. Confirmarea avea să vină în curând, în 1929, când rusul Dmitri Skobelțin, a descoperit pozitronul în radiațiile cosmice. (De fapt, îl descoperise chiar din 1923, dar rezultatele i-au părut prea ciudate.) Mai trebuie să vă spun că Premiul Nobel pentru descoperirea pozitronului i-a fost acordat altcuiva, unui renumit fizician american pe nume Carl D. Anderson. Asta e viața, se întâmplă uneori și în știință asemenea lucruri.
Acum vedeți că atunci când vorbeam de 12 fermioni nu aveam un tablou complet. Vorbeam numai despre particulele care alcătuiesc materia. Acum trebuie să adăugăm câte un partener, o antiparticulă, pentru fiecare particulă încărcată electric din tabloul nostru. Vorbeam mai sus de simetria CP. Poate că ar fi utilă o analogie, în încercarea de a clarifica un pic lucrurile. Căutați repede o oglindă.
Dacă ați găsit una, e foarte bine. Dacă nu aveți una la îndemână, apelați la imaginație sau, mai bine, la amintirile dv. Priviți în oglindă. De pe partea cealaltă vă privește o copie identică a dv. Dar știți prea bine, copia nu este chiar identică. Este de ajuns să incercați să citiți o carte care se află de cealaltă parte a oglinzii pentru a înțelege despre ce este vorba. Imaginea reflectată este copia dv, numai că acolo dreapta a luat locul stângii. Este vorba despre ce spuneam mai sus, de simetria de paritate, care, mai pe înțelesul omului obișnuit este simetria de reflexie. Să ne imaginăm această lume din oglindă, ca fiind una reală. Să ne imaginăm un Univers în care fiecare dintre atomii noștri este plasat simetric față de cei din lumea reală. Corpul dv va avea inima în partea dreaptă, ficatul în stânga și așa mai departe. Dincolo de aceste modificări, lucrurile vor funcționa normal. Corpul dv din universul din oglindă va funcționa identic. Universul din oglindă se comportă la fel ca cel în care trăim. Dar se întâmplă ceva la energii foarte mari. Simetria la reflexie nu se mai respectă. În termeni tehnici spunem că avem o violare, sau o spargere de simetrire. Oglinda este foarte puțin deformată. Repet, la nivelul de energie în care trăim, nici nu remarcăm această spargere de simetrie.
Să mergem mai departe. Acum să mai facem o transformare a imaginii din oglindă. Nu vom avea numai simetria la reflexie ci și una a sarcinii electrice. Asta înseamnă că electronul din oglinda noastră va avea sarcină pozitivă. Aceeași inversare de sarcină se va produce și pentru cuarcii care alcătuiesc protonii și neutroni din oglindă. Dincolo de oglindă se vor găsi partenerii cu sarcină electrică inversată ai particulelor din lumea noastră. Ca rezultat vom avea un univers populat de antiatomi în loc de atomi. Cum va funcționa un asemenea univers? Va funcționa întocmai ca al nostru. Dar și aici, vom avea, în zona energiilor înalte o spargere de simetrie. Acesta este motivul pentru care, în primele momente de după Big Bang, în momentele în care densitatea de energie a Universului era enormă, a fost generată o cantitate de materie puțin mai mare față de cantitatea de antimaterie. La fiecare 100.000 de perechi particulă antiparticulă se coagula o particulă suplimentară.
De ce v-am spus toate acestea? Pentru că am vrut să vă faceți o imagine asupra conceptelor de simetrie și de spargere de simetrie. Asta pentru că acum vine partea mai complicată a expunerii noastre. Vom vorbi despre…
Supersimetrie
Ar mai putea exista o oglindă în natură. Una mai stranie. Spuneam că Modelul Standard împarte lumea în fermioni (particulelele elementare care alcătuiesc materia) și bozoni (particulele care intermediază forțele care se exercită între particule). Supersimetria vorbește de alți parteneri, de o altă oglindă. Astftel, fiecare fermion are ca partener un nou bozon și fiecare bozon are ca partener un nou fermion. Partenerii bozoni ai fermionilor sunt numiți punând un ”s” în fața numelui fermionului (avem astfel selectron, scuark etc.). Pentru partenerii fermioni ai bozonilor, se adaugă sufixul ”ino” (fotino, gluino etc).
Ideea existenței acestei supersimterii a apărut prin 1981, în încercarea de a explica de ce este o diferență atât de mare în valoare între forțele fundamentale ale naturii. De ce este gravitația atât de slabă în raport cu celelalte forțe fundamentale? Aceasta este așanumită ”problemă a ierahiei” cu care se confruntă Modelul Standard.
Spuneam că această oglindă a supersimetriei este una mai stranie. Vreau să mă explic. Aplicând analogiile pe care le-am făcut mai sus, ar trebui ca particulele partenere din lumea supersimetrică să difere de perechea lor numai prin mărimea cuantică numită spin. Am mai spus, atunci când vă povesteam despre bozonul Higgs, că fermionii au spinul semiîntreg, în timp ce bozonii au spinul zero sau întreg. Ar trebui ca acești parteneri (mai bine zis, superparteneri) să aibă aceeași masă ca și corespondenții din lumea Modelului Standard. Dacă ar fi fost așa, atunci particulele supersimetrice ar fi putut fi detectate de multă vreme cu ajutorul acceleratoarelor de particule.
Dacă această supersimetrie va fi confirmată (sunt unele indicii ca va fi) va fi una spartă, una violată. Și asta nu numai pentru energii mari. Avem o oglindă care creează imagini puternic deformate. Într-o asemenea oglindă un pitic slăbănog se va vedea ca un uriaș obez. Stranie oglindă, trebuie să recunoaștem. Superpartenerii ar trebui să aibe mase de 100 până la 1.000 de ori masa unui proton.
Acum vom schimba pentru puțin timp subiectul. Vom vorbi un pic despre teoria stringurilor. În varianta inițială aceasta se referea strict la bozoni. Numai aceștia putea fi tratați ca fiind niște corzi (strings) unidimensionale care vibrează într-un anume fel. Dar teoria stringurilor, așa cum spunea și Leonard Suskind, în cartea The cosmic landscape (din care citez adesea) se dorea a fi o teorie care să includă și fermionii. Mai mult, teoria stringurilor dorește să includă și gravitația, devenind astfel multcăutata teorie a totului (TOE – Theory Of Everything). Nu a trecut multă vreme și a apărut teoria superstringurilor, care includea și fermionii. Ei bine, această nouă teorie impune (obligă la) existența superpartenerilor. În absența lor, modelul matematic al superstringurilor își pierde consistența. Din acest motiv identificarea particulelor din oglinda spartă a supersimetriei a devenit foarte importantă pentru a obține o primă confirmare experimentală a corectitudinii teoriei supercorzilor. Trebuie să vă spun că nu ar fi vorba despre o confirmare definitivă, ci mai degrabă de un indiciu important că ea este o teorie valabilă. Teoria superstringurilor ar trece dincolo de o frumoasă ipoteză a fizicii.
Pe de altă parte, există și mai multe teorii de tipul Dincolo de Modelul Standard (Beyond Standard Model), extinderi ale Modelului Standard actual, care includ existența supersimetriei. Trebuie să vă mărturisesc că aici am fost pus în mare dificultate. Pe parcursul documentării pentru acest articol am găsit în Scientific American, iunie, 2003, un foarte interesant articol intitulat ”Physics Beyond the Standard Model” (Fizica dincolo de Modelul Standard), semnat de Gordon Cane, profesor la Universitatea din Michigan. El este un teoretician care studiază tocmai extinderea Modelului Standard. În articolul amintit el scria, referitor la aspectele pe care acesta nu le poate explica, dintre care eu am enunțat câteva ceva mai devreme: ”Modelul Standard NU POATE EXPLICA aceste fenomene. Asta nu înseamnă că teoria nu le le poate explica acum, dar le va explica în viitor. Modelul Standard este o teorie foarte constrângătoare, și nu [le] va putea explica NICIODATĂ [...].”
Căutări
Căutarea superpartenerilor a început deja. Au fost efectuate măsurători la acceleratorul TEVATRON al Fermilab. Nu a putut fi identificat nici un superpartener.
Între timp acest accelerator a fost scos din funcțiune iar ștafeta a fost preluată de către LHC. Așa cum vă spuneam mai devreme superpartenerii ar trebui să aibă mase între 100 până la 1.000 de ori masa protonului. Asta înseamnă că avem nevoie de energii foarte mari pentru a le putea ”materializa”. Fizicianul american Brian Greene (cunoscut de dv ca realizator al documentarului ”Elegant Universe”) explica pentru The Economist: <strong>”Mașina [LHC-ul] nu pulverizează particule pentru a vedea ce se află în interiorul lor. Eke se ciocnesc, având energii foarte mari. De la Einstein încoace, din faimoasa sa formulă, E=mc^2 , știm că energia și masa sunt același lucru. Energia ciocnirii [dintre două particule] este convertită în masă […]. Cu cât mai mare este energia implicată în coliziune, cu atât este mai mare masa particulelor care apar în urma ciocnirii. Știm că dacă acești superparteneri ar exista, atunci ei ar trebui să fie deosebit de masivi, altfel i-am fi descoperit deja. Iar dacă LHC-ul nu îi va putea desoperi asta nu înseamnă că ei nu există. Pur și simplu vom avea nevoie de o mașină mai mare.”
Deocamdată LHC-ul nu ne-a oferit nici un răspuns clar în ceea ce privește superpatenerii. Dar să nu uităm că el nu a ajuns încă la parametrii nominali de funcționare. Energia coliziunilor este abia la jumătate din cea proiectată. Abia după operațiunile de întreținere de anul viitor el va ajunge la valorile maxime ale energiilor implicate. Trebuie deci să avem răbdare pentru că…
Încheiere
Pentru că, așa cum afirma John H. Schwarz, profesor la Caltech: ”În opinia mea, LHC-ul va descoperi dacă există sau nu există superarteneri, după câțiva ani de funcționare […]. Pe de altă parte, dacă LHC-ul (sau o altă mașină) va descoperi supersimetria, aceasta ar putea fi una dintre cele mai importante realizări ale umanității. Ar fi una mult mai profundă decât descoperirea vieții pe Marte.”
http://stiintasitehnica.com/
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu