Categorie: Fizica
Autor: Cristian Presură
[aparut in Revista "Stiinta si Tehnica", Sept-Oct 2008].
Pornirea acceleratorului Large Hadron Collider (LHC) a generat nenumărate controverse din partea publicului larg, în special legate de posibilitatea creării de găuri negre microscopice care ar ameninţa Pământul. Este bine de ştiut că apariţia găurilor negre microscopice este un eveniment extrem de improbabil şi inofensiv dacă ar avea totuşi loc, pentru că găurile negre microscopice se evaporă. Pe de altă parte, el este un eveniment chiar dorit de o parte a comunităţii ştiinţifice, tocmai pentru că permite investigarea unor noi aspecte ale fizicii fundamentale. Care sunt însă celelalte evenimente aşteptate de comunitatea ştiinţifică? Iată aici un scurt rezumat al acestora.
În primul rând, cel mai important eveniment aşteptat este confirmarea existenţei bozonului Higgs. Dacă el va fi descoperit experimental, se vor da câteva premii Nobel, dacă nu, fizica modernă va intra într-o criză cât se poate de reală… Căci bozonul Higgs nu este o particulă ca oricare alta, ea este, conform modelului standard al particulelor elementare, cea mai specială dintre toate, temelia construcţiei am putea spune…
Astfel, câmpul Higgs poate fi asemanat campului electromagnetic, ca fiind o entitate ce se intinde in tot Universul. Spre deosebire de campul electromagnetic insa, campul Higgs ia valori finite in toate punctele din spatiu, chiar si in vid. Si, precum campului electromagnetic ii asociem o particula (fotonul), ce reprezinta oscilatiile cuantificate ale campului, tot asa si campului Higgs i se asociaza o particula, denumita bozonul Higgs.
Am putea face, puţin "răutăcioşi", următoarea afirmaţie: câmpul Higgs este versiunea modernă a eterului de care scăpase Einstein... El este practic apa oceanului în care peştii (particulele elementare) înoată. Cu ajutorul câmpului Higgs, bozonii W şi Z, purtătorii interacţiei slabe, pot căpăta masă finită, lăsând în acelaşi timp teoria electroslabă renormalizabilă (lucru necesar pentru orice teorie cuantică a câmpului).
| Fermionii desemnează particulele care nu pot ocupa aceeaşi stare cuantica. Cei mai cunoscuţi fermioni sunt electronii. Bozonii desemnează particulele care pot ocupa aceeaşi stare cuantica. Ei sunt de obicei purtătorii interacţiunii dintre fermioni. Astfel, fotonul este purtătorul interacţiunii electromagnetice dintre electroni. |
De fapt, în modelul standard, nu numai bozonii W şi Z capătă masă prin interacţia cu câmpul Higgs, dar şi celelalte particule, ca electronul sau cuarcii şi chiar particula Higgs însăşi! Toate acestea capătă masă prin interacţiunea cu câmpul Higgs finit, prezent peste tot, precum şi o bilă într-un mediu vâscos ne va apărea mai grea pentru că, daca vrem sa o împingem, trebuie să învingem şi vâscozitatea. De aceea am spus că acest câmp Higgs poate fi privit ca versiunea modernă a eterului...
Este interesant că modelul standard al particulelor elementare nu prezice masa bozonului Higgs. Valoarea sa maximă se poate estima însă ca fiind mai mică decât masa celei mai grele particule cunoscute, adică cuarcul top, care are cam 170GeV. Pentru comparaţie, masa de repaus a protonului este de aproape 1GeV. Cum energiile de creare a particulelor ajung la 14TeV (1TeV=1000GeV)
Desigur, problema cea mare a LHC-ului va fi identificarea bozonului Higgs dintre miile de particule create. Trebuie să ne imaginăm, fără să exagerăm, că ciocnirile protonilor
Tot bozonul Higgs face trimitere la o altă descoperire aşteptată de o parte a comunităţii ştiinţifice şi anume supersimetria particulelor. Această teorie dublează numărul particulelor din Univers! Astfel, fiecare bozon va avea un nou superpartener fermion (partener care se notează cu litera "s" în faţă) iar fiecare fermion va avea un superpartener bozon (care se recunoaşte prin terminaţia „ino”). Partenerul electronului ar fi bozonul selectron, iar partenerul fotonului ar fi fermionul fotino. Trebuie spus că, pentru moment, nu există nici un indiciu experimental că această teorie a supersimetriei este adevărată, iar proba de foc experimentală a teoriei va fi pornirea acceleratorului Large Hadron Collider.
Supersimetria intră în scenă imediat ce analizăm puţin masa bozonului Higgs. Căci, ceea ce face particula Higgs specială este că ea poate interacţiona cu aproape toate particulele, tocmai pentru a le da masă. Masa particulei Higgs se obţine nu numai studiind excitaţiile câmpului Higgs, ci luând în calcul şi procese virtuale de interacţiune cu fluctuaţiile cuantice ale vidului. Acestea conduc la o masă mult prea mare pentru bozonul Higgs, care este de ordinul masei Plank, adică 1019 Gev... Desigur, nu ştim deocamdată care este masa bozonului Higgs, însă astfel de valori sunt prea mari, inacceptabile...
În treacăt fie spus, problema masei particulei Higgs este o problemă cât se poate de reală a modelului standard. Ea nu poate fi trecută cu vederea, nici ascunsă sub preş. Această problemă îşi caută încă soluţia. Ea reprezintă cel puternic argument că o fizică nouă va fi descoperită cu ajutorul acceleratorului Large Hadron Collider.
Supersimetria vine cu o soluţie la problema masei particulei Higgs. Astfel, ea porneşte de la observaţia că efectele radiative ale proceselor virtuale contribuie la masa efectiva a particulei Higgs. Tot aşa cum o minge întâmpină rezistenta la mişcarea sa intr-un fluid (deci masa ei efectiva creste) tot aşa si particula Higgs întâmpina rezistenţă la mişcarea sa in vidul cuantic, datorita interacţiunii cu fluctuaţiile cuantice ale vidului. Dintre acestea, cel mai important rol îl joaca crearea unei perechi de particula-antiparticulă. Contribuţia acestor fluctuaţii cuantice la masa bozonului se dovedeşte a fi pozitiva sau negativa, in funcţie de tipul particulei (fermion sau bozon). In plus, valoarea absoluta este data numai de masa particulei.
Acum, cu puţină imaginaţie, putem întrevedea soluţia: dacă fiecare fermion din Univers are un partener bozon de aceeaşi masă, cele două contribuţii la masa particulei Higgs se vor anula! Şi propoziţia inversă este adevărată: dacă fiecare bozon din Univers are un partener fermion de aceeaşi masă, iarăşi cele două contribuţii se vor anula... În final, masa particulei Higgs va rămâne foarte mică, deoarece contribuţia proceselor virtuale pentru crearea unei perechi şi recombinarea ei se compensează exact pentru bozoni si fermioni. Voila!
Propunerea supersimetriei de mai sus are un bonus neaşteptat, ce ţine de energia nenulă a vidului. Astfel, susţinătorii supersimetriei în natură cred că această nouă teorie ar putea rezolva misterul energiei vidului foarte scăzute care se observă în Univers.
Căci mecanica cuantica ne spune ca nu putem cunoaşte cu precizie si poziţia si impulsul unei particule. O consecinţa imediata este ca, in mecanica cuantica, o particula nu poate fi in repaus absolut, pentru ca ar avea si poziţia si impulsul cunoscute. Practic, o particula are atunci o energie reziduala nenula, prezenta chiar si la temperatura de zero absolut. Aceasta energie reziduala, însumata pentru toate particulele din Univers, poarta numele de energie a vidului, sau energie de zero.
Conform teoriei relativităţii generalizate, ne aşteptăm ca energia de zero a Universului (cea datorată fluctuaţiilor cuantice ale vidului) să contribuie la expansiunea sau contracţia cosmologică. Calculele curente arată că această energie este foarte mare, ceea ce înseamnă că Universul ar trebui să colapseze într-o fracţiune de secundă, conform ecuaţiilor lui Einstein. Cum acest lucru nu se observă, înseamnă că energia de zero a Universului trebuie să fie aproape nulă.
Pe de altă parte, se ştie că energia de zero a fermionilor este negativă, spre deosebire de cea a bozonilor (ca fotonul) care este pozitivă. Dacă fiecare bozon ar avea atunci un partener fermion de aceeaşi masă, şi invers, atunci energiile de zero ale celor două particule se vor anula reciproc, iar energia totală de zero ar fi perfect nulă! Adică exact ce ne dorim din punct de vedere cosmologic!
Iată mai sus numai din două argumentele foarte puternice care fac teoria supersimetriei atrăgătoare. Problema este însă că nici un partener supersimetric al particulelor cunoscute nu a fost detectat până în prezent! Astfel, nu am văzut selectroni, care ar fi bozoni de masă egală cu cea a electronului şi care ar fi atunci uşor observabili în experimente. Ori scuarci, ori fotini, etc...
Teoreticienii au însă argumente pentru această lipsă completă de susţinere experimentală. Ei cred în primul rând că supersimetria este ruptă spontan în Universul nostru. Cu alte cuvinte, că particulele şi partenerii lor nu au mase precis egale, ci diferite, atâta cât să nu le observăm încă în experiment! Practic, toţi partenerii particulelor cunoscute, selectronul, fotinul, scuarcul, etc, ar avea mase mai mari decât cele ce se obţin în experimente, de ordinul a câteva sute de GeV... Acum însă, masele lor nu pot fi mult prea mari, căci astfel se strică prea mult echilibrul iniţial între particule şi partenerii lor, cel pe care de fapt l-am folosit când am introdus supersimetria! Atunci, dacă partenerii ar fi prea grei faţă de particulele cunoscute, am obţine din nou o masă prea mare a particulei Higgs şi o energie de zero a vidului prea mare... Estimativ, superpartenerii nu ar trebui să fie ordine de mărime mai grei decât particula Higgs. Cum aceasta este estimată a fi mai mică decât 170GeV (masa cuarcului top), superpartenerii au probabil mase de ordinul a câţiva TeV...
De aceea, teoreticienii cred că aceşti superparteneri au şanse mari să fie observaţi
Celelalte aşteptări ale oamenilor de ştiinţă sunt mai exotice şi de aceea puteţi paria mai puţin pe ele. Una este identificarea unei particule din care ar putea fi construită misterioasa materie întunecată. Aceasta trebuie să interacţioneze cât mai puţin cu materia înconjurătoare, ceea ce ar justifica observaţiile experimentale. Pe de altă parte, această particulă ar fi foarte comună în Univers, cu o cantitate totală cam de cinci ori mai mare decât toată masa obişnuită la un loc, aşa cum sugerează măsurătorile astronomice. Desigur, se speră că puternicele coliziuni de
O altă observaţie dorită, dar destul de improbabilă, este scoaterea în evidenţă a unor dimensiuni spaţiale adiţionale ale Universului. Aceasta este o previziune cunoscută a teoriei coardelor, unde un număr de şase sau şapte dimensiuni spaţiale adiţionale ar fi compactate foarte mult, în aşa fel încât ele au scăpat detecţiei noastre de până acum. Astăzi însă, prezicerea unor dimensiuni adiţionale ale Unviersului a devenit foarte populară şi a depăşit graniţele teoriei coardelor. Dacă este aşa, este posibil ca noile particule create să poarte informaţii despre acestea. Ca o paranteză, nimeni nu se asteaptă să putem verifica teoria coardelor, căci aceasta ar necesita energii mult prea mari pentru LHC.
O variantă mai puţin populară a teoriei dimensiunilor adiţionale este înglobarea unui univers spaţial tridimensional (ca cel al nostru) într-unul de dimensiune mult mai mare, tot aşa cum o hârtie bi-dimensională face parte dintr-un spaţiu tridimensional. În plus însă, numai gravitonii ar putea călători în afara spaţiului tridimensional, iar celelalte particule (sau forţe) nu. Practic, în exemplul cu hârtia, fiinţele bidimensionale nu ar părăsi niciodată suprafaţa, ci doar gravitonii creaţi de ele. Consecinţa directă este că forţa gravitaţională devine mult mai puternică, crescând efectiv ceea ce oamenii de ştiinţă numesc dimensiunile lui Planck (adică acele dimensiuni la care gravitaţia şi mecanica cuantică joacă roluri egale). În final, o astfel de teorie permite crearea unor găuri negre microscopice, care au loc la energii de ordinul masei lui Planck şi care astfel ar fi accesibile în experimentele LHC. Deşi aceste găuri negre microscopice se vor evapora foarte repede, cercetătorii speră că prezenţa lor ne va da o imagine despre o fizică ce urmează însă să fie descoperită.
Nu în ultimul rând, este posibil ca experimentele de
Sumarizând, există două scenarii foarte discutate. Primul este că
Problema masei bozonului Higgs, încă nerezolvată în modelul standard, sugerează totuşi că o nouă fizică se ascunde la energii de genul celor probate de LHC. Aceasta este şi speranţa cercetătorilor, care nu sunt atât în aşteptarea unor confirmări (ca supersimetria, dimensiuni adiţionale ale spaţiului, etc.), ci în aşteptarea unor noi rezultate experimentale care să facă curăţenie printre teoriile existente şi să imprime un nou avânt fizicii fundamentale, aflată astăzi în impas, după aproape 25 de ani de la ultimele descoperiri majore…
[aparut in Revista "Stiinta si Tehnica", Sept-Oct 2008].
[www.stiinta.info] Sursa originală: Revista Stiinta si Tehnica
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu