Descoperirea pentru care s-a acordat premiul Nobel pentru fizică în anul 2004 este de mare importanţă pentru înţelegerea teoriei uneia dintre forţele fundamentale ale Naturii - forţa tare, forţă care menţine împreună cele mai mici piese de materie, quarcurile.
David Gross, David Politzer şi Frank Wilczek au reuşit prin contribuţiile lor teoretice să facă posibilă completarea Modelului Standard al Fizicii Particulelor, modelul care descrie cele mai mici obiecte din Natură şi modul în care interacţionează între ele. În acelaşi timp constituie un pas important în străduinţa de a oferi o descriere unificată a tuturor forţelor Naturii, indiferent de scară spaţială – de la cele mai mici distanţe în nucleul atomului la vastele distanţe din Univers. Articolul explica libertatea asimptotică pentru interacţia tare din fizica particulelor.
Forţa tare
Interacţiunea tare – des numită interacţiunea de culoare – e una din cele patru forţe elementare ale Naturii. Acţionează între quarcuri, componentele care construiesc protonii, neutronii şi nucleul. Progresul în fizică particulelor sau relevanţa sa pentru viaţa noastră de zi cu zi poate apărea greu de înţeles pentru cineva fără o cunoaştere a fizicii. Cu toate acestea, când analizăm un fenomen zilnic cum ar fi o monedă învârtindu-se pe o masă, mişcările sale sunt în fapt determinate de forţele fundamentale dintre constituenţii de bază ai materiei – protoni, neutroni, electroni. În fapt, în jur de 80% din greutatea monedei e datorată interacţiunilor şi proceselor din interiorul protonilor şi neutronilor – interacţiunea dintre quarcuri. Premiul Nobel pentru fizică din anul 2004 se referă la acesta interacţiune: forţa tare, care mai este denumită şi forţa de culoare.
David Gross, David Politzer şi Frank Wilczek au descoperit o proprietate a interacţiunii tari care explică de ce quarcurile ar putea să se comporte aproape la fel ca şi particulele libere la energii mari. Descoperirea aceasta a stat la baza teoriei interacţiunii de culoare (un nume mai complet este Cromodinamica cuantică, QCD, adică Quantum ChromoDynamics). Teoria a fost testată în detaliu, în special în timpul ultimilor ani la Laboratorul European de Fizică a Particulelor, CERN, la Geneva.
Modelul Standard şi cele patru forţe fundamentale ale Naturii
Prima forţă care trebuie să fi fost evidentă pentru oameni este gravitaţia. Aceasta este interacţiunea care face obiectele să cadă pe pământ, dar de asemenea guvernează mişcările planetelor şi galaxiilor. Gravitaţia ar putea părea puternică – considerând, de exemplu, craterele largi create de cometele care au lovit Pământul sau imensele rachete care sunt necesare pentru a ridica un satelit în spaţiu. Totuşi, în microcosmos, între particule ca electronii şi protonii, forţa gravitaţională este extrem de slabă (figura 1).
Cele trei forţe sau interacţiuni, cum preferă fizicienii să le numească, care sunt aplicabile microcosmosului sunt descrise de Modelul Standard. Acestea sunt interacţiunea electromagnetică, interacţiunea slabă şi interacţiunea tare (ori, mai des folosit de publicul larg: forţa electromagnetică, forţa slabă şi forţa tare). Prin contribuţiile mai multor laureaţi ai premiului Nobel din anii anteriori, Modelul Standard are o bază teoretică foarte solidă. Aceasta se datorează faptului că Modelul Standard este singura descriere matematică care ia în calcul în acelaşi timp teoria relativităţii a lui Einstein şi mecanică cuantică.
Modelul Standard descrie quarcurile, leptonii şi particulele purtătoare de forţă. Quarcurile construiesc, de exemplu, protonii şi neutronii nucleului atomic. Electronii care formează învelişul exterior pentru atomi sunt leptoni şi, din câte se ştie până acum, nu sunt construiţi din constituenţi mai mici. Atomii se alătură să formeze molecule, moleculele construiesc structuri şi în acest fel întregul Univers poate fi în final descris.
Figura 1. Cele patru forţe (sau interacţiuni) ale Naturii, particulele care intermediază aceste interacţiuni şi fenomenele sau particulele afectate de acestea. Cele trei interacţiuni care guvernează microcosmosul sunt mult mai puternice decât gravitaţia şi au fost unificate prin Modelul Standard.
Interacţiunea electromagnetică explica lumina şi stabilitatea atomilor
Interacţiunea electromagnetică e responsabilă pentru un număr de fenomene comune în lumea înconjurătoare, cum ar fi frecarea, magnetismul şi faptul că nici noi, nici obiectele pe care le punem jos nu cad prin podea.
Interacţiunea electromagnetică care leagă un electron şi un un proton într-un atom de hidrogen este mai puternică decât gravitaţia de 1041 ori, un număr greu de imaginat. Totuşi, în pofida diferenţelor foarte mari de intensitate dintre cele două forţe există câteva similarităţi. Intensitatea interacţiunii scade odată cu pătratul distanţei şi forţă se face simţită şi la distanţe foarte mari. Atât interacţiunea electromagnetică, cât şi cea gravitaţională sunt mediate de particule „transportoare” de forţă: gravitonul şi fotonul (particula de lumină). În contrast cu fotonul, gravitonul încă nu a fost observat experimental. Faptul că cele două forţe pot interacţiona la distanţe foarte mari poate fi explicat prin faptul că particulele ce mediază aceste forţe au masa de repaus zero. Fotonii de la Soare sunt necesari pentru viaţa pe Pământ. Totuşi, când energia este produsă prin fuziune în centrul Soarelui celelalte două interacţiuni din Modelul Standard joacă de asemenea roluri importante. Fotonul are o proprietate importantă; este neutru din punct de vedere electric, dar interacţionează cu particule încărcate electric. Acesta e motivul pentru care fotonii nu interacţionează unul cu altul.
Interacţiunea electromagnetică este descrisă de teoria electrodinamicii cuantice (quantum electrodynamics sau QED), una dintre cele mai de succes teorii ale fizicii. Este în acord cu rezultatele experimentelor cu o precizie care se apropie de o parte la zece milioane. Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger şi Richard Feynman au fost premiaţi cu Premiul Nobel în Fizică pentru asta în 1965. Unul din motivele pentru care teoria este de aşa mare succes este acela că ecuaţia conţine o constantă, aşa numita constantă de structură fină sau constanta de interacţiune alfa electromagnetică, aem, cu valoarea 1/137, care este în mod considerabil mai mică decât 1. Acest lucru face posibil calcularea efectelor electromagnetice că o dezvoltare în serie de puteri a acestei constante de valoare mică. Aceasta elegantă metodă matematică este numită metoda de calcul cu ajutorul perturbaţiilor şi a fost mult dezvoltată de Feynman.
O importanţă proprietate a mecanicii cuantice în teoria QED este aceea că constanta structurii fine este constantă doar la o anumită valoarea a energiei de interacţiune, ea luând valori mai mari pentru energii mai mari.. La acceleratoarele de particule de azi, de exemplu la acceleratorul LEP de la CERN, valoarea a fost măsurată ca şi 1/128 mai degrabă decât 1/137 la energii corespunzând cu aproximativ 100 miliarde de electronvolţi. Dacă se desenează un grafic al variaţiei constantei de structură fină în funcţie de energie, atunci curba obţinută se ridică uşor în sus. Fizicienii teoreticieni afirma că derivată acesteia, sau funcţia beta, este pozitivă.
Interacţiunea slabă – dezintegrarea radioactivă
Interacţiunea slabă e purtată de bosoni, W± şi Z0, particule care, spre deosebire de foton şi graviton, au mase foarte mari (aproximativ masă a 100 de protoni!). De aceea interacţiunea nu îşi poate face simţită prezenţa decât pe o distanţă scurtă. Forţa acţionează atât asupra quarcurilor, cât şi asupra leptonilor şi este responsabilă pentru unele dezintegrări radioactive. Interacţiunea slabă este strâns legată de interacţiunea electromagnetică şi cele două interacţiuni se spune că sunt unificate în interacţiunea electroslaba, care a fost elucidata în anii 1970. Gerardus ’t Hooft şi Martinus Veltman au primit premiul Nobel în 1999 pentru formularea finală a acestei teorii.
Interacţiunea tare – sarcina şi culoarea
Se cunoştea încă din anii 1960 ca protonul (şi neutronul) nu sunt particule elementare, ci particule compuse, formate din quarcuri. Totuşi, destul de ciudat, nu era posibil să se producă quarcuri libere. Sunt forţaţi să existe numai în cadrul unor particule precum protonii şi neutronii. Aceasta este o proprietate fundamentală a acestor constituenţi ai materiei, adică quarcurile. Doar agregări de quarcuri, doi sau trei, pot exista liberi ca şi, de exemplu, protonul. Quarcurile au sarcini electrice care sunt o fracţiune din cea a protonului, -1/3 sau +2/3, o proprietate ciudată care nu a fost încă explicată. Fiecare quarc, în plus faţă de o sarcină electrică, are de asemenea o proprietate specială care, la fel ca sarcina sa electrică, este cuantificată, aceasta putând lua doar anumite valori. Această proprietate e numită sarcina de culoare, datorită similarităţii sale cu conceptul de culoare.
Quarcurile pot purta sarcinile de culoare roşie, albastră sau verde. Pentru fiecare quarc există un antiquarc în acelaşi fel în care electronul are o antiparticulă, pozitronul. Antiquarcurile au sarcinile de culoare antiroşu, antialbastru, antiverde. Particulele compuse din quarcuri, singurele care pot exista libere în natură, sunt neutre din punctul de vedere al sarcinii de culoare. Cele trei quarcuri din proton (u, u şi d) au diferite sarcini de culoare astfel că sarcina totală de culoare este albă (sau neutră). În acelaşi fel în care moleculele, deşi neutre din punct de vedere electric, pot forma legături (prin atracţia dintre părţile lor pozitive şi negative), schimbul de forţă dintre protoni şi neutroni din nucleu apare prin forţele de culoare care se răspândesc din quarcurile şi particulele lor purtătoare de forţă.
Forţa dintre quarcuri e transportată de gluoni (din cuvântul ‘glue’ în engleză, însemnând lipici), care, ca şi fotonii, nu au masă. Gluonii, totuşi, în contrast cu fotonii, au de asemenea proprietatea sarcinii de culoare, consistând dintr-o culoare şi o anti-culoare. Această proprietate este ceea ce face forţa de culoare atât de complexă şi diferită de forţă electromagnetică.
O constantă de interacţiunea mai slabă ar elibera particulele
Pentru multă vreme fizicienii au crezut că ar fi imposibil să găsească o teorie prin care efectele interacţiunii tari dintre quarcuri ar putea fi calculată în acelaşi fel ca şi pentru interacţiunea electromagnetică şi cea slabă. Dacă, de exemplu, interacţiunea dintre doi protoni într-un nucleu e studiată, rezultate bune pot fi obţinute prin descrierea sa ca un schimb de mezoni pi – o idee care i-a adus lui Hideki Yukawa premiul Nobel pentru fizică în 1949. E nevoie de o constantă de interacţiune mai mare ca unu, ceea ce înseamnă că metoda de calcul prin intermediul perturbaţiilor dezvoltată de Feynman (vezi mai sus) nu poate fi folosită. Din păcate, chiar şi astăzi nu există o metodă satisfăcătoare pentru a calcula astfel de efecte ale interacţiunii tari.
Situaţia părea să fie chiar şi mai rea pentru energii mai mari; dacă funcţia beta e pozitivă (felul în care constantă de interacţiune variază cu energia) interacţiunea va fi chiar şi mai puternică şi calculele devin tot mai absurde. Fizicianul teoretician german, Kurt Symanzik (acum decedat), a realizat că singura cale să ajungă la o teorie rezonabilă era să găsească una cu o funcţie beta negativă. Asta ar putea explica, de asemenea, de ce quarcurile pot câteodată să apară ca particule libere, sâmburi, în cadrul protonului – un efect care a fost văzut în experimentele de împrăştiere (coliziune) de electroni şi protoni.
Din păcate, Symanzik însuşi nu a găsit o astfel de teorie şi deşi Gerardus’ t Hooft a fost foarte aproape să o descopere în timpul verii din 1972, fizicienii au început să fie disperaţi. „Dovezi” au fost chiar prezentate ca toate teoriile realistice aveau o funcţie beta pozitivă. Ştim că era incorect, deoarece în iunie 1973, laureaţii Premiului Nobel pentru Fizică din 2004 (despre care discutăm în acest articol) au intrat în scenă. În două articole apărute unul lângă altul în prestigioasa revistă de ştiinţă Physical Review Letters, unul de Gross şi Wilczek şi celălalt de Politzer, miraculoasa descoperire că funcţia beta poate fi negativă a fost anunţată. Când descoperirea lor a fost realizată, aceşti fizicieni erau destul de tineri – Wilczek şi Politzer erau studenţi la doctorat, de fapt.
Conform teoriilor lor, purtătorii de forţă, gluonii, au o unică şi foarte neaşteptată proprietate, aceea că interacţionează nu doar cu quarcurile, ci de asemenea şi între ei. Această proprietate înseamnă că cu cât quarcurile se apropie între ei, cu atât mai slabă este sarcina de culoare a quarcurilor şi cu atât mai slabă interacţiunea dintre ei.
Quarcurile se apropie între ele atunci când energia creşte, aşa că puterea interacţiunii scade odată cu energia. Această proprietate, numită libertatea asimptotică, înseamnă că funcţia beta e negativă. Pe de altă parte, intensitatea interacţiunii tari creşte odată cu distanţa, ceea ce însemna că un quarc nu poate fi scos dintr-un nucleu atomic. Teoria a confirmat experimentele: quarcurile sunt „închise” în grupuri de trei, înăuntrul protonului şi neutronului, dar pot fi vizualizaţi că „sâmburi” în experimente potrivite.
Libertatea asimptotică face posibilă calcularea interacţiunii la distanţă mică pentru quarcuri şi gluoni, presupunând că sunt particule libere. Prin ciocnirea particulelor la energii foarte mari este posibil să fie aduse destul de aproape. Când libertatea asimptotică a fost descoperită şi o teorie, CromoDinamica Cuantică (QCD) a fost formulată, calculele au putut fi făcute pentru prima dată, care să fie în acord cu experimentele (figura 2).
Figura 2. Valoarea constantei de interacţiunea alfa s în funcţie de energie, Curba este descrescătoare, adică funcţia beta este negativă. Aceasta este o predicţie a proprietăţii de libertate asimptotică din QCD. După cum se vede, aceasta este în acord foarte bun cu experimentele care au fost realizate până acum în fizică particulelor.
Jerbele de particule dezvăluie adevărul
O dovadă importantă a teoriei QCD e oferită de coliziunile dintre electroni şi antiparticulele lor, pozitronii, cu o energie cinetică foarte mare, atunci când se anihilează între ei. Conform ecuaţiei lui Einstein E=mc2 energia cinetică poate fi transformată în noi particule, de exemplu, quarcuri cu masă şi energie cinetică. Aceşti quarcuri sunt creaţi foarte „adânc” în cadrul procesului, foarte aproape unul de celălalt, dar depărtându-se între ei la o viteză extrem de ridicată. Mulţumită libertăţii asimptotice din QCD acum este posibilă calcularea acestui proces.
Desigur, atunci când quarcurile s-au depărtat între ei, ei sunt influenţaţi de forţele tari în creştere, care în cele din urmă duc la crearea de noi particule quarc - antiquarc şi o jerbă de particule apare în direcţia quarcurilor şi antiquarcurilor originali. Dar procesul reţine o „memorie” a primei părţi, cea a libertăţii asimptotice, oferind o valoare pentru probabilitatea apariţiei acestor evenimente ce prezintă două jerbe de quarcuri care e de acord cu observaţiile făcute.
Chiar mai convingător, poate, sunt evenimentele care au câte trei jerbe descoperite la acceleratorul DESY din Hamburg la sfârşitul anilor 1970. Aceste apariţii pot fi interpretate cu succes ca un gluon care este radiat de unul din quarcurile sau din antiquarcurile din proces (figura 3).
Figura 3. Apariţia a doua sau trei jerbe de particule observate în coliziunile dintre electroni şi pozitroni. Porţiunea mărită arata interpretarea QCD, care de asemenea permite calcule detaliate privind probabilitatea acestor apariţii. Aceste probabilităţi sunt în acord foarte bun cu datele experimentale (e– înseamnă electron, e+ înseamnă pozitron, q înseamnă quarc, q cu bară deasupra înseamnă antiquarc, g înseamnă gluon).
Libertatea asimptotică din cadrul teoriei QCD pe care laureaţii de anul 2004 au descoperit-o a oferit fizicienilor şi o explicaţie a fenomenului care a fost observat cu câţiva ani în urmă la acceleratorul de particule de la Stanford (Friedman, Kendall şi Taylor; Premiul Nobel în 1990). Particulele încărcate electric care constituie protonul se comportă ca particule libere atunci când sunt lovite atât de tare încât dobândesc o energie mare. Însumând impulsul particulelor încărcate electric din structura protonului (adică quarcurile), a devenit clar că aproape jumătate din impulsul total al protonului se regăsea la altceva (anume la gluoni!).
Pot forţele Naturii să fie unificate?
Poate cel mai provocator efect al libertăţii asimptotice în cadrul QCD este că deschide posibilitatea unei descrieri unificate a forţelor Naturii. Atunci când examinăm cum variază cu energia constantele de interacţiune pentru interacţiunile electromagnetică, slabă şi tare, este evident că aproape, dar nu total, se întâlnesc într-un punct şi au aceeaşi valoare la o energie foarte mare. Dacă chiar se întâlnesc într-un anume punct, se poate presupune că cele trei interacţiuni sunt unificate, un vechi vis al fizicienilor, cărora le-ar plăcea să descrie legile Naturii în cel mai simplu limbaj posibil. (figura 4).
Figura 4. Variaţia constantelor de interacţiune cu energia în cadrul Modelul Standard (stânga) şi după introducerea supersimetriei (dreapta). În Modelul Standard cele trei linii, care reprezintă inversul constantei de interacţiune (adică o supra constantă de interacţiune) pentru cele trei forţe fundamentale, nu se întâlnesc într-un punct, dar cu introducerea supersimetriei şi presupunând că particulele supersimetrice nu sunt mai grele decât aproximativ 1 TeV/c2, ele se întâlnesc într-un punct. Este o indicare că supersimetria va fi descoperită la următorul accelerator de la CERN, Large Hadron Collider, sau este o simplă coincidenţă?
Totuşi, Modelul Standard are nevoie de câteva modificări astfel încât visul unificării forţelor Naturii să poată fi realizat. O posibilitate e să introducă un nou set de particule, particulele supersimetrice, care să poată avea o masă destul de mică încât să poate fi investigate la acceleratorul LHC care este acum construit la CERN în Geneva.
Dacă supersimetria e descoperită, va implica suport puternic pentru teoria corzilor care ar putea chiar să unifice gravitaţia cu celelalte trei interacţiuni. Modelul Standard are nevoie de asemenea modificări să încorporeze recentele descoperi ale proprietăţilor neutrinilor – aceea că au o masă diferită de zero. De asemenea, poate că asta va aduce la explicaţia unor alte enigme cosmologe, cum ar fi materia întunecată care pare să domine spaţiul. Chiar dacă se vor adeveri sau nu aceste noi progrese, este clar descoperirea fantastică şi neaşteptată a libertăţii asimptotice în QCD (figura 5) a schimbat profund înţelegerea noastră privind felul în care forţele de bază ale Naturii din lumea noastră lucrează.
Figura 5. Formulă care descrie descoperirea. După cum urmează: g: constantă de interacţiune, Nc înseamnă numărul de culori (care sunt 3 în QCD), NF înseamnă numărul de quarcuri (care sunt 6 în Modelul Standard).{jcomments on}
Articol tradus, cu acordul editorului, de pe NobelPrize, de Nicolae Mihai.
