Modelul standard al fizicii particulelor este un triumf al ştiinţei. El reprezintă o colecţie de 17 particule şi patru forţe. Fizicienilor le place să-l numească „elegant", dar pentru cineva neavizat el nu pare a fi aşa.
Astăzi voi răspunde unui cititor care mi-a scris următoarele:
„În prezent utilizăm acest uimitor model standard pentru a explica ce sunt particulele fundamentale. Care este mecanismul „din spatele cortinei" care generează aceste legi?" Aceasta este o întrebare incredibil de bună care îmi permite să vă arăt de ce modelul standard este atât de frumos şi ce se ascunde în spatele scenei.
Modelul standard
Universul conţine tot felul de lucruri. Acestea sunt formate din molecule, iar moleculele sunt compuse din atomi, care la rândul lor conţin particule şi mai mici numite protoni, neutroni şi electroni. Putem merge mai departe şi aflăm că protonii şi neutronii sunt compuşi din particule fundamentale denumite quarcuri, care sunt unite prin intermediul unor mici particule ciudate denumite gluoni. Există, de asemenea, unele particule denumite neutrini, care nu se regăsesc în cadrul materiei şi altele, cum ar fi bosonul Higgs, care există doar pentru un scurt moment de timp înainte de a se dezintegra.
Particulele conţinute de modelul standard şi modul în care ele interacţionează sunt arătate în imaginea de mai jos, astfel încât nu este necesar să mai recitiţi excelenta prezentare a lui Alasdair în legătură cu caracteristicile acestora.
Credit: Wiki Commons
Daţi-mi voie să anticipez prima voastră întrebare: chiar trebuie să reţinem toate astea? Nu. Dar privind imaginea de mai sus aţi putea fi tentaţi să puneţi următoarea întrebare: cum este posibil ca modelul standard să fie considerat elegant de către fizicieni? Şi în fond ce ne împiedică să desenăm un alt pătrat şi să inventăm propria noastră particulă?
Simetria se află în centrul fizicii. Aproape toate particulele provin, în esenţă, din aceeaşi matriţă. Două particule care par diferite reprezintă de fapt două moduri diferite de a privi acelaşi lucru. Cu aproximaţie.
Există două tipuri fundamentale de particule. Unele dintre acestea sunt numite fermioni. Ele includ quarcurile şi electronii, particulele care constituie materia obişnuită, împreună cu neutrinii care nu par să conteze prea mult în viaţa de zi cu zi.
Celelalte particule fundamentale sunt bosonii. Prin intermediul acestora se transmit diferite forţe şi ei cuprind fotonii, bosonii W şi Z, gluonii şi bosonul Higgs.
Dar să începem cu fermionii. Ideea de bază a modelului standard este că există într-adevăr doar un singur tip specific de fermion, un fel de meta-particulă din care toate celelalte particule pot fi obţinute.
Sună ciudat? Sigur că da.
Spinul şi SU(2)
Nu am de gând să vă deduc tot modelul standard. Există, evident, multă matematică implicată în această teorie. Dar pentru a vă ajuta să înţelegeţi cum se potrivesc împreună componentele modelului standard trebuie să încep cu noţiunea de spin. Ce reprezintă spinul unei particule?
În termeni simpli, vă puteţi imagina că electronii şi toţi fermionii se învârt ca un titirez. Da, aceasta este o simplificare, dar o voi aplica în cele ce urmează. Un electron se poate roti în sens invers acelor de ceasornic, aşa cum se vede de sus, acest spin fiind cunoscut sub numele „spin paralel" sau în sensul acelor de ceasornic şi atunci îl denumim „spin opus". Deoarece o particulă încărcată electric care se roteşte creează un câmp magnetic, este relativ uşor să determinăm ce tip de electron apare într-un experiment.
Electronii cu spin paralel şi spin opus sunt extrem de asemănători între ei. Ei au aceeaşi sarcină, aceeaşi masă şi se resping electric la fel. Mai mult, este foarte uşor să transformăm un electron cu spin paralel într-un electron de spin opus sau viceversa. Trebuie doar să-l trecem printr-un câmp magnetic variabil.
Din punctul vostru de vedere aţi putea gândi că electronii de spin paralel şi spin opus sunt două tipuri diferite de particule sau o particulă cu două stări diferite. Aceasta este o simetrie şi matematicienii au un nume fantezist pentru ea: SU(2) (vă rog să nu daţi click pe acest link dacă noţiunile de matematică avansată vă pot agrava vreo afecţiune cardiacă).
Simetriile de acest fel apar tot timpul în viaţa de zi cu zi. Ele descriu ceva ce se află la „stânga" sau „la dreapta" în funcţie de o anumită direcţie aleasă de referinţă. Vă puteţi întoarce în jurul vostru şi cele două direcţii se vor schimba. SU(2) este în esenţă un formalism matematic utilizat pentru a descrie mişcarea de rotaţie din mecanica cuantică.
Aţi putea crede că nu contează prea mult dacă un electron este de spin paralel sau de spin opus, dar din punctul de vedere al fizicii particulelor acestea sunt de fapt două particule diferite. Ca exemplu, ele sunt deviate în mod diferit de către un câmp magnetic.
S-ar părea că este vorba despre o diferenţă minoră între ele, dar aceasta este una importantă. După cum vă amintiţi de la orele de chimie, un atom poate găzdui 2 electroni în „pătura" cu cel mai mic nivel energetic (în loc de 1), ceea ce înseamnă că elementele chimice ca heliul (cu 2 electroni) au această pătură ocupată şi în consecinţă nu se leagă cu alţi atomi.
Forţa nucleară slabă
Simetria spinului este doar un punct de plecare. Se pare că relaţia dintre electroni şi neutrini este aproape la fel de strânsă ca cea dintre electronii cu spin paralel şi cei cu spin opus.
Electronii şi neutrinii au multe în comun. Ambele particule sunt foarte uşoare deşi, desigur, un neutrin este mult mai uşor decât un electron, ambele au acelaşi spin şi ambele fac parte dintr-o categorie aparte de particule denumite „leptoni".
La fel ca în cazul electronilor cu spin paralel şi spin opus, electronii şi neutrinii sunt aproape interschimbabili între ei, în anumite circumstanţe. „Forţa nucleară slabă", cea care în ciuda numelui său este destul de importantă din moment ce asigură energia Soarelui nostru, nu se modifică dacă aţi schimba toţi electronii cu neutrini şi viceversa.
Permiteţi-mi să fiu clar aici. Modul de acţiune al forţei slabe a fost descoperit cu mult timp înainte de a avea un model matematic care să-l descrie, dar odată ce l-am obţinut şi am descoperit neutrinul toate s-au potrivit împreună într-un cadru conceptual destul de simplu.
Pentru a adãuga un alt detaliu, în timp ce neutrinii şi electronii sunt simetrici în ceea ce priveşte forţa slabă, ei nu sunt simetrici pentru binecunoscuta forţă electromagnetică. Mai mult, neutrinul este neutru din punct de vedere electric în timp ce electronul are sarcină electrică.
Fiecare simetrie este specială pentru o anumită forţă fundamentală. Matematica pe care o folosim pentru a descrie relaţia dintre electroni şi neutrini este identică cu cea privind electronii cu spin paralel şi spin opus: ei au o simetrie SU(2).
Şi legătura dintre aceste particule nu se termină aici. Este nevoie de un câmp magnetic, de interacţiunea cu o particulă numită foton, pentru a schimba spinul unui electron. De asemenea, pentru a face ca modelul teoretic să funcţioneze a trebuit să presupunem că schimbarea unui electron cu un neutrin sau viceversa necesită existenţa unor noi particule, care s-au dovedit a fi bosonii W şi Z.
Inventarea unor particule ar putea părea o activitate febrilă a unui teoretician zelos, cu excepţia faptului că bosonii W şi Z au fost de fapt descoperiţi (ca de altfel fiecare particulă prezisă de modelul standard).
Există o complicaţie în acest sens. Bosonii W şi Z ar trebui să fie, în mod natural, lipsiţi de masă, dar în realitate ei sunt foarte masivi, de aproximativ o sută de ori mai masivi decât protonul. Bosonul Higgs, cea de-a 17-a particulă din diagramă a fost introdus tocmai în legătură cu acest aspect, el conferind masă bosonilor W şi Z (şi, probabil, altor particule). Da, este un artificiu teoretic, dar se pare că este unul corect. Nu cu mult timp în urmă diverse grupuri de cercetători de la Large Hadron Collider au anunţat că ar fi descoperit bosonul Higgs.
Quarcurile
Modelul standard nu se termină aici. La fel cum electronul şi neutrinul sunt într-un anume fel „aceeaşi particulă" din punctul de vedere al forţei slabe, un quarc up poate fi transformat într-un quarc down şi viceversa prin acelaşi mecanism.
Dar mai există ceva. Quarcurile au o altă proprietate numită culoare care este cu aproximaţie echivalentul sarcinii electrice. Cu toate acestea există o diferenţă crucială. În timp ce sarcina electrică poate fi de doar două tipuri, pozitivă sau negativă, există trei culori, numite (prin convenţie, nu pentru că quarcurile ar avea de fapt ceea ce am numi cu adevărat o culoare vizibilă) roşu, verde şi albastru.
Aşa cum electronul şi neutrinul pot fi schimbaţi între ei fără a afecta interacţiunea slabă a particulelor, toate quarcurile având proprietatea de culoare roşie pot fi interschimbate cu quarcuri având proprietatea de culoare verde sau orice altă combinaţie de culori, fără a afecta forţa tare. Dacă doriţi să impresionaţi oamenii la o petrecere, puteţi să le spuneţi că acest lucru este cunoscut sub numele de simetria SU(3).
Este necesar să se inventeze din nou particulele mediatoare ale acestei interacţiuni care să permită ca o culoare să se transforme în alta. În acest caz este vorba despre gluoni, particulele care în cele din urmă ţin împreună protonii, neutronii şi nucleele atomilor.
Puteţi observa aproape imediat simetria modelului standard dacă prezentăm particulele acestuia într-un mod diferit:
Credit: Herb Thornby
Dacă doriţi să studiaţi mai mult particulele elementare vă puteţi juca cu relaţiile din aplicaţia lui Garrett Lisi de aici.
Unele întrebări fără răspuns
Destul de interesant, nu-i aşa? Trebuie doar să ghiciţi o simetrie din natură, să începeţi cu o particulă şi în curând veţi avea o grădină zoologică. Dar am încercat mereu să fiu sincer cu voi şi aş dori să închei acest articol subliniind că modelul standard lasă fără răspuns o mulţime de întrebări.
De ce aceste simetrii şi nu altele?
Am observat interacţiuni fundamentale din natură înainte de a avea un model teoretic pentru ele. Simetriile SU(2) şi SU(3) ale forţei slabe şi forţei tari, împreună cu simetria U(1) a electromagnetismului reprezintă lucruri pe care mai întâi le-am observat şi apoi le-am modelat teoretic.
De ce 3 generaţii?
Eleganţa modelului standard se bazează pe o minciună. Toate acestea nu sunt explicate. Puteţi observa că nu există doar electroni, ci şi miuoni şi particule tau, care sunt în esenţă versiuni mai grele ale aceleaşi particule. Toţi fermionii au trei generaţii aproape identice, fiecare dintre ele mai grea decât ultima.
Nu există niciun motiv evident ca să existe 3 versiuni pentru practic aceeaşi particulă. Dar aici este ceva important, chiar şi cele 3 generaţii sunt, în esenţă, doar diferite moduri de a privi aceeaşi particulă. Diferite versiuni de neutrini, de exemplu, se transformă spontan din una în alta. Cum se poate asta?
De ce sunt rupte simetriile?
Chiar şi simetriile pe care le avem nu sunt perfecte. Luaţi în considerare acest adevăr bombă: atunci când neutrinii sunt produşi în urma reacţiilor nucleare toţi se rotesc în sens orar în timp ce se îndreaptă spre voi, aceştia fiind denumiţi „de stânga". Cum este posibil ca forţa slabă să ştie de stânga şi de dreapta?
Mai mult, în cazul în care simetriile ar fi perfecte, nu am avea nevoie de o particulă Higgs. Aceasta are menirea doar să cârpească o teorie.
De ce există atât de mulţi parametri fără o valoare calculată teoretic?
În cele din urmă, chiar dacă simetriile descriu relaţiile dintre particule într-un sens general, ele nu ne spun de ce sarcina electrică are valoarea pe care o are sau de ce forţa slabă are intensitatea pe care o are sau de ce masa electronului este cea cunoscută. Aici putem include oricare dintre cei 25 de parametri ai modelului standard a căror valoare nu este stabilită teoretic.
Ideea este că în spatele cortinei modelului standard există o mulţime de lucruri despre care nu avem încă o explicaţie şi cu care nu putem să ne mândrim.
Traducere de Cristian-George Podariu după where-does-the-standard-model-of-physics-come-from.
