Tipărire
Categorie: Fizica nucleară şi fizica particulelor
Accesări: 3623

ParticuleAm prezentat anterior un ghid cuprinzător pentru lumea particulelor subatomice ce prezintă toate particulele elementare şi particulele compozite cunoscute în prezent. Dar acum a venit momentul să lăsăm certitudinile la o parte şi să explorăm lumea necunoscută şi plină de mister a particulelor încă nedescoperite. Există trei tipuri de bază ale acestor particule ipotetice.

 

 

În primul grup vom găsi particulele despre care majoritatea fizicienilor cred că există doar că noi, pur şi simplu, nu avem o tehnologie suficient de avansată pentru a le detecta. În al doilea grup se află particulele despre care doar o parte dintre oamenii de ştiinţă cred că există sau acele particule despre care s-a crezut că există în trecut dar care, în prezent, nu mai prezintă interes. În al treilea grup se află acele particule pe care oamenii de ştiinţă nu au reuşit încă să le descrie teoretic dar despre care se crede că sunt ascunse şi abia aşteaptă să fie descoperite. S-ar putea ca în al treilea grup să nu se afle nicio particulă, prin definiţie noi nu putem şti, dar nu este niciodată o idee rea să ne luăm o rezervă şi să fim pregătiţi şi pentru o apariţie neaşteptata.

În orice caz, noi ne vom concentra doar pe primele două grupuri de particule. În general, toate particulele despre care vom vorbi vor reprezenta un progres în ştiinţă şi poate vor modifica înţelegerea noastră asupra Universului în cazul în care ele vor fi descoperite. Aceste particule ar putea confirma sau infirma teorii ce dăinuie de decenii şi ele vor pune bazele pentru descoperirea unei teorii unificate şi poate chiar să permită ca ceea ce astăzi este considerat a fi imposibil mâine să poată deveni posibil.

Sfântul Graal al ştiinţei: bosonul Higgs şi gravitonul

Noi am menţionat despre bosonul Higgs şi graviton în cadrul articolului anterior despre particulele subatomice dar acum putem discuta mai în amănunt despre ele. Ambele ar fi particule elementare, în mod special bosoni precum fotonul, gluonul şi bosonii W şi Z. Cu alte cuvinte, acestea ar trebui să medieze proprietăţi fundamentale ale Universului. Pentru bosonul Higgs acea proprietate fundamentală este masa iar pentru graviton este vorba (aşa cum era de aşteptat) de forţa gravitaţională.

Bosonul Higgs este singura particulă elementară prezisă de modelul standard pe care încă nu am reuşit să o descoperim (n.t. Anunţul privind descoperirea bosonului Higgs a fost făcut în data de 4 iulie 2012). Cu toate acestea, chiar dacă noi îl vom descoperi sau nu îl vom descoperi, aceasta nu infirmă, de fapt, modelul standard care deja s-a dovedit, pe parcursul mai multor decenii, a fi un model excelent în ceea ce priveşte descrierea modului în care funcţionează Universul în cele mai multe dintre cazuri şi dacă noi nu vom găsi bosonul Higgs aceasta nu va schimba această constatare.

Descoperirea bosonului Higgs ar putea explica existenţa masei în Univers, care este unul dintre multele mistere pe care fizicienii încearcă să le rezolve, dar este un aspect discutabil cât de important va fi bosonul Higgs pentru rezolvarea problemelor importante din fizică, cum ar fi încercarea de a identifica o teorie unificată. În cel mai bun caz, înţelegerea modului în care acesta interacţionează cu alte particule ar putea ajuta la eliminarea unor modele existente în scopul obţinerii unei teorii unificate, dar la mai mult nu putem spera, probabil. Şi chiar şi aşa s-ar putea să fim prea optimişti.

Acesta este şi motivul pentru care comunitatea ştiinţifică a descurajat în mod oficial mass-media să denumească bosonul Higgs drept „particula lui Dumnezeu", preferând o poreclă, cunoscută într-un cerc ceva mai restrâns, de „particula sticlă de şampanie". Găsirea acesteia va fi un motiv de sărbătoare, dar cu toate acestea fizicienii vor avea încă o mulţime de mistere rămase de rezolvat.

Gravitonul, pe de altă parte, ar putea avea implicaţii mult mai mari. Existenţa unui boson care mediază gravitaţia ar dovedi că gravitaţia este, de fapt, o forţă fundamentală cuantificată, la fel ca forţa nucleară tare, forţa nucleară slabă şi forţa electromagnetică. Descoperirea gravitonului nu s-ar potrivi cu modelul standard, cel puţin aşa cum acesta este conceput în prezent, şi ar sugera că avem nevoie să adăugăm la modelul standard o teorie cuantică a gravitaţiei pentru a putea explica diferenţele dintre ele.

Desigur, teoria gravitaţiei cuantice ar fi într-un dezacord fundamental în raport cu o teorie de bază a fizicii moderne: teoria lui Einstein a relativităţii generale. Potrivit lui Einstein, gravitaţia nu este o forţă fundamentală deoarece ea este o consecinţă a curburii spaţiului-timp. Această teorie contrazice ipoteza existenţei gravitonului.

Dar acesta nu este singurul aspect în care relativitatea generală şi mecanica cuantică sunt incompatibile. Din nou trebuie să vă reamintesc că sunt nevoit să vă prezint subiecte foarte complexe în doar câteva propoziţii, dar în esenţă, relativitatea generală explică obiectele care sunt foarte masive, în timp ce mecanica cuantică explică obiectele care sunt foarte mici. În cazul în care avem de-a face cu obiecte foarte masive şi care sunt, de asemenea, foarte mici, cum ar fi găurile negre sau Universul aflat într-o etapă de evoluţie foarte timpurie, atunci noi vom întâmpina probleme în descrierea lor deoarece relativitatea generală şi mecanica cuantică sunt fundamental incompatibile.

Există o serie întreagă de teorii care încearcă să rezolve aceste diferenţe, teoria corzilor este, probabil, cea mai renumită dintre acestea, gravitaţia cuantică fiind o parte din cadrul multora dintre aceste teorii. Desigur, existenţa gravitonului nu se potriveşte cu teoria relativităţii generale dar poate că nici nu ar trebui să se potrivească. Gravitonul şi teoria relativităţii generale ar putea coexista, gravitonul explicând anumite aspecte în timp ce teoria relativităţii generale ar explica altele.

Un exemplu, oarecum similar, în acest sens este lumina. În anumite situaţii, avem de a face cu particule de fotoni individuali în timp ce în altele avem de a face cu unde radio, acestea fiind aspecte fundamental diferite care reuşesc să descrie acelaşi fenomen fizic. Deşi diferenţa dintre graviton şi spaţiul curbat al relativităţii generale reprezintă o incompatibilitate fundamentală, descoperirea gravitonului ne-ar putea ajuta în încercarea noastră de a uni împreună aceste două idei contrare.

 

 

Spinul particulelor

Dacă aţi citit ghidul particulelor elementare pe care l-am pregătit pentru voi şi pe care l-am prezentat într-un articol anterior aţi observat că am indicat o proprietate a acestora cunoscută sub numele de spin. Motivul pentru care nu am dezvoltat subiectul legat de spin în acea discuţie s-a datorat faptului că acesta reprezintă un concept complicat, care nu este intuitiv. Într-adevăr, el reprezintă un concept care scoate în evidenţă, încă o dată, ciudăţeniile lumii cuantice. Dar dacă vrem să discutăm despre cel mai mare grup al particulelor nedescoperite, trebuie să vă vorbesc despre spin.

La o primă vedere, spinul cuantic nu pare să difere mult faţă de ceea ce observăm în lumea obişnuită. Dacă luaţi un obiect încărcat electric şi îl rotiţi în jurul său, sarcina sa electrică creează o buclă de curent şi care, la rândul său, generează un câmp magnetic. În acest mod, cu aproximaţie, se poate obţine un electromagnet şi în principiu la fel se întâmplă şi în cazul spinului cuantic. Pare destul de simplu, nu?

De aici însă lucrurile devin un pic cam ciudate. Dacă vorbim despre un electromagnet din lumea pe care o observăm, lumea obişnuită, este foarte uşor să facem ca un obiect încărcat electric să se rotească puţin mai lent sau puţin mai repede, ceea ce provoacă o scădere sau o creştere a intensităţii câmpului magnetic. Dar un electron nu se comportă în acest fel, spinul său va fi întotdeauna la fel şi nu există absolut nimic în Univers care să îl poată schimba. Spinul electronului este o proprietate intrinsecă, care nu se schimbă, similară cazului în care obiectul nostru din lumea fizică obişnuită se roteşte întotdeauna cu o viteză constantă, indiferent de posibilele perturbaţii ce ar apare din exterior şi care ar avea tendinţa să-i modifice viteza de rotaţie.

În plus, această analogie se aplică doar pentru particulele care sunt încărcate electric. Particulele neutre din punct de vedere electric, precum fotonii şi neutrinii, au, de asemenea, un spin, dar din moment ce ele nu au sarcină electrică nu se produce niciun efect de natură magnetică aferent acestui proces. Nu există într-adevăr nicio posibilitate realistă de a vorbi despre spin fără a parcurge cel puţin câteva semestre din cadrul unei facultăţi de fizică (cel puţin), dar pentru scopul nostru, trei lucruri sunt foarte important de ştiut: spinul este o proprietate intrinsecă, neschimbătoare a tuturor particulelor, el reprezintă momentul cinetic al particulei şi el determină apariţia unui moment magnetic. În cazul particulelor elementare, toţi leptonii şi toate quarcurile au spinul 1/2 şi toţi bosonii au spinul 1.

Înainte de a trece la particulele nedescoperite, încă un detaliu extrem de ciudat despre spin. Să ne imaginăm că sunteţi în picioare în centrul unei platforme rotative. Atunci când aceasta s-a rotit cu 360 de grade, poziţia dumneavoastră va fi exact la fel şi veţi interacţiona cu Universul în exact acelaşi mod cum aţi făcut înainte ca platformă să se fi rotit. Această observaţie este valabil pentru orice se află în lumea obişnuită.

Dar să presupunem că aţi luat o particulă ce are spinul 1/2, cum ar fi un electron, şi o puneţi pe aceasta pe platformă. Dacă rotiţi platforma cu 360 de grade, electronul nu va mai fi în aceeaşi poziţie aşa cum a fost înainte de rotaţie. El ar fi de fapt într-o stare cuantică opusă şi tu ar trebui să-l roteşti cu încă 360 de grade pentru a-l aduce înapoi la starea sa iniţială. Noi nu ştim dacă există particule având spinul 2, gravitonul ar putea fi una dintre acestea, dar aşa cum am spus el nu a fost încă descoperit. Aceste particule ar trebui rotite doar cu 180 de grade pentru a ajunge înapoi în poziţia lor iniţială. În cazul anumitor mezoni, cum ar fi kaonul, care are spinul 0, din punctul de vedere al analogiei noastre ar înseamnă că ar fi de fapt imposibil să se rotească platforma.

De ce se comportă lumea cuantică în acest fel? Pentru că, ei bine, acesta este doar un mod de a o face. Lumea cuantică se joacă cu propriul set de reguli.

O problemă de simetrie

Iată de ce spinul este important. Cum am arătat mai înainte, leptonii şi quarcurile, adică toţi fermionii, au spinul 1/2, iar toţi bosonii au spinul 1. În general, toţi fermionii au un spin semi-întreg, în timp ce toţi bosonii au un spin întreg. Există o teorie care afirmă că pentru toate particulele elementare ar trebui să existe o particulă care are aceeaşi masă şi aceleaşi proprietăţi cu singura diferenţă că spinul ei este cu 1/2 mai mic. Deci, să ne întoarcem la cel mai renumit boson, fotonul. În această teorie, fotonul, care are spinul 1, este asociat cu o particulă care este identică cu el în afară de faptul că aceasta are spinul 1/2. Desigur, aceasta înseamnă că această particulă este un fermion, deoarece toţi fermionii au spinul 1/2. Particula parteneră a unui fermion cum ar fi electronul va avea spinul 0 şi deoarece 0 este un număr întreg înseamnă că această particulă este un boson. Şi gravitonul, dacă există, are un partener supersimetric având spinul 3/2.

Această teorie este cunoscută sub numele de supersimetrie. Ea a fost propusă, în mod independent, de un număr de fizicieni la sfârşitul anilor 1960 şi începutul anilor 1970, dar s-a afirmat cu adevărat în anul 1981 atunci când Howard Georgi şi Savas Dimopoulos au propus ceea ce ei au denumit modelul standard supersimetric minim (Minimal Supersymmetric Standard Model - MSSM). MSSM a sugerat că aceste particule supersimetrice au avut aceleaşi proprietăţi cuantice cu ale particulele cu care suntem familiarizaţi dar nu şi aceeaşi masă.

De fapt, masa acestor particule ar putea fi de ordinul TeV, ceea ce înseamnă că ele sunt de o mie de ori mai grele decât orice particulă elementară cunoscută. Particulele care au o masă atât de mare sunt instabile astfel încât durata lor de viaţă este de ordinul celor mai mici fracţiuni dintr-o secundă, ele au existat în mod natural doar la foarte scurt timp după momentul Big Bang. Această rupere a simetriei în ceea ce priveşte masa celor două tipuri de particule explică de ce particulele supersimetrice nu au fost niciodată observate. Acestea sunt prea mari şi necesită prea multă energie pentru ca acceleratoarele noastre de particule să le poată crea.

Aceste particule supersimetrice, mai bine cunoscute sub numele de particule s, au fost denumite într-un mod foarte ciudat. De regulă, toţi partenerii supersimetrici ai fermionilor (care sunt bosonii) preiau numele fermionului original la care se adaugă litera s la începutul numelui acestuia. În acest fel toţi leptonii supersimetrici sunt denumiţi sleptoni, toate quarcurile supersimetrice sunt numite squarcuri şi aşa mai departe. Noile nume variază de la unele rezonabile (selectroni) la unele ridicole (smiuon sneutrin) şi până la unele de-a dreptul de nepronunţat (sbottom squarc).

Bosonii, pe de altă parte, schimbă pe „on" aflat la sfârşitul numele lor cu „ino". Acest lucru înseamnă că partenerul supersimetric al fotonului este fotino, pentru gluon este gluino iar în cazul bosonilor W şi Z avem Wino şi Zino. Există, de asemenea, o legătură prevăzută în teorie între partenerii supersimetrici ai bosonilor încărcaţi electric şi a celor neutri electric cunoscuţi ca charginos şi neutralinos. Ne vom întoarce la neutralino puţin mai târziu.

În concluzie, putem descoperi particulele s? Aceasta este dorinţa şi speranţa cercetătorilor ce utilizează acceleratorul Large Hadron Collider şi dintr-un motiv foarte bun. Există o mulţime de teorii care prevăd că aceste particule s există. Teoria supersimetriei este o parte importantă din mai multe variante ale teoriei corzilor ce ar putea ajuta la unificarea unor forţe diferite în cadrul unei singure ecuaţii şi aceasta ne-ar putea permite să rezolvăm unul din cele mai importante mistere ale Universului: materia întunecată.

Căutarea particulelor ce formează materia întunecată

Aş mai avea nevoie de alte câteva mii de cuvinte pentru a vă explica ce înţelegem prin materie întunecată şi energie întunecată, dar, din fericire, nu este necesar să fac asta. Astăzi însă doar voi face un rezumat foarte rapid a ce reprezintă ele pentru a putea continua apoi discuţia despre particule.

Atât materia întunecată cât şi energia întunecată constituie în prezent cele mai bune explicaţii pe care le avem pentru anumite proprietăţi neaşteptate ale Universului. Materia întunecată a fost propusă, pentru prima dată, în anii 1920 pentru a ţine cont de faptul că galaxiile şi clusterele galactice s-ar dezintegra ca urmare a rotaţiei lor proprii dacă nu ar exista o cantitate de materie nevăzută care să acţioneze asupra lor. Energia întunecată este o forţă misterioasă care determină expansiunea accelerată a Universului, în loc ca expansiunea acestuia să se încetinească şi eventual să determine contracţia Universului, ceea ce ar fi de aşteptat să se întâmple dacă am considera doar acţiunea gravitaţiei.

La nivelul Universului, în conformitate cu toate observaţiile noastre, materia obişnuită reprezintă doar 5% din masa Universului, în timp ce materia întunecată este responsabilă pentru 25% iar energie întunecată reprezintă 70%. Aici există o mulţime de lucruri necunoscute pentru noi şi de aceea noi suntem în căutarea particulelor care ar putea oferi o explicaţie pentru ele. În prezent, nu este clar dacă particulele sunt implicate în cadrul energiei întunecate şi una din cele mai bune teorii curente consideră că energia întunecată este, în esenţă, o consecinţă a constantei cosmologice. Dar noi avem o mulţime de candidaţi pentru materia întunecată şi cel mai renumit este, probabil, WIMP.

WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) sau particulă masivă ce interacţionează slab are o mulţime de proprietăţi care sunt descrise chiar de numele său. Această particulă ar interacţiona numai prin forţa nucleară slabă şi forţa gravitaţională, dar nu şi prin mult mai puternica forţă nucleară tare sau forţa electromagnetică. Acest fapt explică imediat de ce materia întunecată nu poate fi detectată prin mijloace convenţionale: dacă ceva nu interacţionează prin intermediul electromagnetismului atunci nu-l putem observa şi dacă aceasta nu interacţionează prin forţa nucleară tare atunci nu va avea niciun efect asupra nucleelor atomice pe care să-l putem observa.

O altă problemă importantă este faptul că aceasta este masivă, ceea ce înseamnă că ea este cu mult mai mare decât particulele elementare cu care suntem familiarizaţi. După cum am arătat în discuţia noastră despre particulele s este nevoie de mult mai multă energie pentru a crea sau pentru a detecta particule masive în condiţii de laborator, ceea ce îngreunează foarte mult detectarea acestor particule WIMP. Trebuie subliniat că termenul WIMP este mai mult o descriere a unei particule decât un nume real şi că o altă particulă ce se presupune, din punct de vedere teoretic, că există reprezintă, probabil, identitatea secretă a acestor particule WIMP.

Să ne întoarcem acum la neutralino, o particulă formată prin combinarea partenerilor supersimetrici ai bosonilor W şi Z, ai fotonului şi ai versiunii neutre a bosonului Higgs. Această particulă ar trebui, în general, să aibă o masă cuprinsă între 100 GeV la 1 TeV şi să se comporte foarte similar cu cei mai mici neutrini, care interacţionează slab. La fel ca în cazul particulelor s, aceste proprietăţi fac ca neutralino să fie foarte dificil de detectat în cadrul acceleratoarelor de particule, dar ea, de asemenea, descrie perfect o particulă WIMP. Cel mai uşor neutralino, care ar putea avea masa cuprinsă între 10 GeV şi 10 TeV, este considerat cel mai bun candidat pentru particulele ce compun materia întunecată.

Un alt candidat pentru materia întunecată este axionul. Această particulă a fost dedusă teoretic în anul 1977 de către Roberto Peccei şi Helen Quinn ca o soluţie la ceea ce este cunoscut sub numele de problema simetriei CP în cazul forţei nucleare tari. Practic, simetria CP (sarcină-paritate) prevede că legile fizicii trebuie să rămână la fel în cazul în care o particulă este schimbată cu antiparticula sa (simetria C) şi în cazul în care direcţia din stânga este înlocuită cu cea din dreapta (simetria P). Această observaţie este valabilă pentru aproape toate particulele, dar în cazul dezintegrării mezonului neutru electric K s-a constatat că se încalcă simetria CP. Pentru această descoperire s-a acordat un premiu Nobel şi datorită ei a fost necesară o rescriere a legilor fizicii pentru a se ţine cont de ea.

Această încălcare a simetriei CP nu ar fi o problemă doar că ea apare numai în cazul dezintegrărilor care implică forţa nucleară slabă fără a exista vreun semn evident cum că ar implica şi forţa nucleară tare. Din punct de vedere matematic ne-am aştepta ca această încălcare a simetriei CP să apară în cazul ambelor forte nucleare, nu are sens ca ea să apară la o forţă dar nu şi la cealaltă. La această problemă fizicienii încă caută o rezolvare şi de aceea problema simetriei CP în cazul forţei nucleare tari rămâne o provocare pentru aceştia.

Există câteva propuneri pentru a depăşi această situaţie dificilă. Una dintre ele consideră că există o încălcare a simetriei CP în care este implicată forţa nucleară tare doar că gradul de încălcare este în acest caz cu mult mai mic decât în cazul forţei nucleare slabe şi astfel ea se află în afara posibilităţilor noastre actuale de a o detecta. O altă propunere importantă susţine că particula nedescoperită despre care am vorbit anterior, axionul, afectează simetria CP în cazul interacţiunilor mediate de forţa nucleară tare contribuind la reducerea valorii încălcării simetriei CP către zero, explicând astfel de ce noi nu putem observa vreo încălcare a simetriei CP.

Axionii apar în problema legată de materia întunecată în mai multe moduri. În cazul în care aceştia există, ei nu au sarcina electrică, au o masă mică ce este cuprinsă în intervalul de la 10^-6 la 1 eV şi ei interacţionează foarte slab prin intermediul forţei nucleare tari şi a forţei nucleare slabe. În acest fel s-ar putea explica de ce sunt atât de greu de detectat, doar că având o masă atât de mică înseamnă că ei, probabil, nu reprezintă particulele din care este formată materie întunecată.

În schimb, partenerul lor supersimetric, axino, ar putea fi cea mai uşoară particulă supersimetrică şi, prin urmare, ar putea fi unul dintre cei mai buni candidaţi pentru particulele ce compun materia întunecată. De asemenea, este posibil ca axionii să fi apărut în primele momente de după Big Bang şi după dezintegrarea lor să se fi grupat în cadrul unei forme ciudate, foarte rece, a materiei cunoscută sub numele de condensat Bose-Einstein. Universul ar putea fi umplut cu aceste aglomerări de axioni care ar putea constitui materia întunecată.

Desigur, aceste propuneri nu reprezintă o soluţie de totul sau nimic, o combinaţie a particulelor amintite sau alte fenomene ar putea explica materie întunecată. Există, de asemenea, aşa-numiţii neutrini sterili (sterile neutrinos) care sunt aproape identici cu neutrinii cu excepţia faptului că ei interacţionează doar prin intermediul gravitaţiei ceea ce îi face ceva mai uşor de detectat. Particula cameleon este o particulă teoretică cu adevărat bizară a cărei masă variază în funcţie de poziţia sa: la depărtare în spaţiu ea are o masă foarte mică, dar atunci când se apropie de un corp dens precum planeta Pământ ea dobândeşte o masă mare care o face astfel dificil de detectat în cadrul acceleratoarelor de particule terestre.

Toate aceste propuneri teoretice sunt susţinute de comunitatea ştiinţifică, mai mult sau mai puţin, niciuna din aceste particule deduse teoretic nefiind exclusă definitiv din rândul candidaţilor pentru materia întunecată. Într-adevăr, pentru multe dintre ele există unele dovezi posibile privind existenţa lor, deşi aceste constatări sunt foarte controversate şi am avea nevoie de un alt articol pentru a le analiza. Este suficient să spun că nu am găsit încă particula din care este formată materia întunecată, dar avem o mulţime de direcţii de cercetare şi o mulţime de motive să credem că vom găsi particula WIMP adevărată. şi noi nici măcar nu ne-am referit la particulele RAMBO (n.t. Robust associations of massive baryonic objects) şi MACHO (Massive compact halo object) care sunt, de asemenea, bune candidate pentru materia întunecată, dar ele nu implică particule nedescoperite.

Stadiul în care ne aflăm

Chiar şi după alte câteva mii de cuvinte pe care le-am folosit pentru a discuta despre fizica particulelor, eu încă trăiesc cu impresia că am zgâriat doar suprafaţa acestui subiect. I-am oferit o imagine de ansamblu destul de cuprinzătoare, dar există o mulţime de subtilităţi aflate în umbră, deşi au existat destul de puţine subiecte la care noi nu am putut face o descriere mai detaliată în cadrul acestor articole, subiecte cum ar fi teoria corzilor, care este prezentă în multe dintre aceste articole sau tahionii, particule teoretice care s-ar deplasa mai repede decât viteza luminii. În mod cert, există mult mai multe subiecte despre care putem vorbi şi de aceea consider că acesta nu este sfârşitul discuţiei noastre. Acesta este doar începutul.



Traducere de Cristian George Podariu după the-undiscovered-particles-on-the-edge-of-known-physics