Vino si tu pe pagina de Facebook pentru o stire de stiinta, explicata simplu, in fiecare zi!
Pagina de Facebook!
În fiecare zi, o nouă fotografie din universul nostru fascinant împreună cu o explicaţie scrisă de către un astronom profesionist: Astronomy Picture Of the Day
   
Fizica Povestita

I
Fizica Povestita

Ce ne asteptam sa gasim la LHC?

Autor: Presura Cristian

[aparut in Revista ‘Stiinta si Tehnica’, Sept-Oct 2008].

Pornirea acceleratorului Large Hadron Collider (LHC) a generat nenumarate controverse din partea publicului larg, în special legate de posibilitatea crearii de gauri negre microscopice care ar ameninta Pamântul. Este bine de stiut ca aparitia gaurilor negre microscopice este un eveniment extrem de improbabil si inofensiv daca ar avea totusi loc, pentru ca gaurile negre microscopice se evapora. Pe de alta parte, el este un eveniment chiar dorit de o parte a comunitatii stiintifice, tocmai pentru ca permite investigarea unor noi aspecte ale fizicii fundamentale. Care sunt însa celelalte evenimente asteptate de comunitatea stiintifica? Iata aici un scurt rezumat al acestora.

 

În primul rând, cel mai important eveniment asteptat este confirmarea existentei bozonului Higgs. Daca el va fi descoperit experimental, se vor da câteva premii Nobel, daca nu, fizica moderna va intra într-o criza cât se poate de reala… Caci  bozonul Higgs nu este o particula ca oricare alta, ea este, conform modelului standard al particulelor elementare, cea mai speciala dintre toate, temelia constructiei 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, putin ‘rautaciosi’, urmatoarea afirmatie: câmpul Higgs este versiunea moderna a eterului de care scapase Einstein… El este practic apa oceanului în care pestii (particulele elementare) înoata.  Cu ajutorul câmpului Higgs,  bozonii W si Z, purtatorii interactiei slabe, pot capata masa finita, lasând în acelasi timp teoria electroslaba renormalizabila (lucru necesar pentru orice teorie cuantica a câmpului).

 

Fermionii desemneaza particulele care nu pot ocupa aceeasi stare cuantica. Cei mai cunoscuti fermioni sunt electronii.

 

Bozonii desemneaza particulele care pot ocupa aceeasi stare cuantica. Ei sunt de obicei purtatorii interactiunii dintre fermioni. Astfel, fotonul este purtatorul interactiunii electromagnetice dintre electroni.

 

 

 De fapt, în modelul standard, nu numai bozonii W si Z capata masa prin interactia cu câmpul Higgs, dar si celelalte particule, ca electronul sau cuarcii si chiar particula Higgs însasi! Toate acestea capata masa prin interactiunea cu câmpul Higgs finit, prezent peste tot,  precum si o bila  într-un mediu vâscos ne va aparea mai grea pentru ca, daca vrem sa o împingem, trebuie sa învingem si vâscozitatea. De aceea am spus ca acest câmp Higgs poate fi privit ca versiunea moderna a eterului…

 

Este interesant ca modelul standard al particulelor elementare nu prezice masa bozonului  Higgs. Valoarea sa maxima se poate estima însa ca fiind mai mica decât masa celei mai grele particule cunoscute, adica cuarcul top, care are cam 170GeV. Pentru comparatie, masa de repaus a protonului este de aproape 1GeV.  Cum energiile de creare a particulelor ajung la 14TeV (1TeV=1000GeV)  la LHC, se presupune ca particula Higgs trebuie sa apara. De fapt, cu cât masa sa este mai mare, cu atât ea va fi mai usor de detectat, pentru ca se va dezintegra în bozoni W si Z, care sunt usor de observat.

 

Desigur, problema cea mare a LHC-ului va fi identificarea bozonului Higgs dintre miile de particule create. Trebuie sa ne imaginam, fara sa exageram, ca ciocnirile protonilor la LHC sunt asemanatoare cu ciocnirea a doua portocale. Astfel, dupa ce ciocnim cele doua portocale, vom obtine resturi de seminte aruncate pe jos. Ne putem întreba atunci care a fost pozitia initiala a semintelor din portocale, studiind numai ramasitele…Tot asa trebuie determinata si structura initiala a protonilor care se ciocnesc. Aceasta este complexa, fiind data nu numai de cei trei cuarci, dar si din multitudinea de particule virtuale care exista ca un nor în jurul cuarcilor, printre acestea fiind si bozonul Higgs. Ori, se poate estima ca probabilitatea de observare a bozonului Higgs este de miliarde de ori mai mica decât cea totala ce se obtine în reactii, ceea ce înseamna ca avem nevoie de multe miliarde de masuratori pentru a fi siguri ca ceea ce am observat este bozonul Higgs.

 

Tot bozonul Higgs face trimitere la o alta descoperire asteptata de o parte a comunitatii stiintifice si anume supersimetria particulelor. Aceasta teorie dubleaza numarul particulelor din Univers! Astfel, fiecare bozon va avea un nou superpartener fermion (partener care se noteaza cu litera ‘s’ în fata) iar fiecare fermion va avea un superpartener bozon (care se recunoaste prin terminatia „ino”). Partenerul electronului ar fi bozonul selectron, iar partenerul fotonului ar fi fermionul fotino. Trebuie spus ca, pentru moment, nu exista nici un indiciu experimental ca aceasta teorie a supersimetriei este adevarata, iar proba de foc experimentala a teoriei va fi pornirea acceleratorului Large Hadron Collider. 

 

Supersimetria intra în scena imediat ce analizam putin masa bozonului Higgs.  Caci, ceea ce face particula Higgs speciala este ca ea poate interactiona cu aproape toate particulele, tocmai pentru a le da masa. Masa particulei Higgs se obtine nu numai studiind excitatiile câmpului Higgs, ci luând în calcul si procese virtuale de interactiune cu fluctuatiile cuantice ale vidului. Acestea conduc la o masa mult prea mare pentru bozonul Higgs, care este de ordinul masei Plank, adica 1019 Gev… Desigur, nu stim deocamdata care este masa bozonului Higgs, însa astfel de valori sunt prea mari, inacceptabile… 

 

În treacat fie spus, problema masei particulei Higgs este o problema cât se poate de reala a modelului standard. Ea nu poate fi trecuta cu vederea, nici ascunsa sub pres. Aceasta problema îsi cauta înca  solutia. Ea  reprezinta cel  puternic argument ca o fizica  noua va fi  descoperita cu ajutorul acceleratorului Large Hadron Collider.

 

Supersimetria vine cu o solutie la problema masei particulei Higgs. Astfel, ea porneste de la observatia ca efectele radiative ale proceselor virtuale contribuie la masa efectiva a particulei Higgs. Tot asa cum o minge întâmpina rezistenta la miscarea sa intr-un fluid (deci masa ei efectiva creste) tot asa si particula Higgs întâmpina rezistenta la miscarea sa in vidul cuantic, datorita interactiunii cu fluctuatiile cuantice ale vidului. Dintre acestea, cel mai important rol îl joaca crearea unei perechi de particula-antiparticula. Contributia acestor fluctuatii cuantice la masa bozonului se dovedeste a fi pozitiva sau negativa, in functie de tipul particulei (fermion sau bozon). In plus, valoarea absoluta este data numai de masa particulei.

 

Acum, cu putina imaginatie, putem întrevedea solutia: daca fiecare fermion din Univers are un partener bozon de aceeasi masa, cele doua contributii la masa particulei Higgs se vor anula! Şi propozitia inversa este adevarata: daca fiecare bozon din Univers are un partener fermion de aceeasi masa, iarasi cele doua contributii se vor anula… În final, masa particulei Higgs va ramâne foarte mica, deoarece contributia proceselor virtuale pentru crearea unei perechi si recombinarea ei se compenseaza exact pentru bozoni si fermioni. Voila!

 

Propunerea supersimetriei de mai sus are un bonus neasteptat, ce tine de energia nenula a vidului. Astfel, sustinatorii supersimetriei în natura cred ca aceasta noua teorie ar putea rezolva misterul energiei vidului foarte scazute care se observa în Univers.

 

Caci mecanica cuantica ne spune ca nu putem cunoaste cu precizie si pozitia si impulsul unei particule. O consecinta imediata este ca, in mecanica cuantica, o particula nu poate fi in repaus absolut, pentru ca ar avea si pozitia 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 relativitatii generalizate, ne asteptam ca energia de zero a Universului (cea datorata fluctuatiilor cuantice ale vidului) sa contribuie la expansiunea sau contractia cosmologica. Calculele curente arata ca aceasta energie este foarte mare, ceea ce înseamna ca Universul ar trebui sa colapseze într-o fractiune de secunda, conform ecuatiilor lui Einstein. Cum acest lucru nu se observa, înseamna ca energia de zero a Universului trebuie sa fie aproape nula.

 

Pe de alta parte, se stie ca energia de zero a fermionilor este negativa, spre deosebire de cea a bozonilor (ca fotonul) care este pozitiva. Daca fiecare bozon ar avea atunci un partener fermion de aceeasi masa, si invers, atunci energiile de zero ale celor doua particule  se vor anula reciproc, iar energia totala de zero ar fi perfect nula! Adica exact ce ne dorim din punct de vedere cosmologic!

 

Iata mai sus numai din doua argumentele foarte puternice care fac teoria supersimetriei atragatoare. Problema este însa ca nici un partener supersimetric al particulelor cunoscute nu a fost detectat pâna în prezent! Astfel, nu am vazut selectroni, care ar fi bozoni de masa egala cu cea a electronului si care ar fi atunci usor observabili în experimente. Ori scuarci, ori fotini, etc…

 

Teoreticienii au însa argumente pentru aceasta lipsa completa de sustinere experimentala. Ei cred în primul rând ca supersimetria este rupta spontan în Universul nostru. Cu alte cuvinte, ca particulele si partenerii lor nu au mase precis egale, ci diferite, atâta cât sa nu le observam înca în experiment! Practic, toti partenerii particulelor cunoscute, selectronul, fotinul, scuarcul, etc, ar avea mase mai mari decât cele ce se obtin în experimente, de ordinul a câteva sute de GeV… Acum însa, masele lor nu pot fi mult prea mari, caci astfel se strica prea mult echilibrul initial între particule si partenerii lor, cel pe care de fapt l-am folosit când am introdus supersimetria! Atunci, daca partenerii ar fi prea grei fata de particulele cunoscute, am obtine din nou o masa prea mare a particulei Higgs si o energie de zero a vidului prea mare… Estimativ, superpartenerii nu ar trebui sa fie ordine de marime mai grei decât particula Higgs. Cum aceasta este estimata a fi mai mica decât 170GeV (masa cuarcului top), superpartenerii au probabil mase de ordinul a câtiva TeV…

 

De aceea, teoreticienii cred ca acesti superparteneri au sanse  mari sa fie observati la LHC, care este capabil sa creeze particule de mase de pâna la 14 TeV… Pe de alta parte, daca nici atunci superpartenerii nu vor fi gasiti, multi cred ca aceasta va reprezenta sfârsitul teoriei supersimetriei… Putem spune atunci, cu încredere, ca testul experimental final al supersimetriei îl reprezinta acceleratorul Large Hadron Collider…

 

Celelalte asteptari ale oamenilor de stiinta sunt mai exotice si de aceea puteti paria mai putin pe ele. Una este identificarea unei particule din care ar putea fi construita misterioasa materie întunecata. Aceasta trebuie sa interactioneze cât mai putin cu materia înconjuratoare, ceea ce ar justifica observatiile experimentale. Pe de alta parte, aceasta particula ar fi foarte comuna în Univers, cu o cantitate totala cam de cinci ori mai mare decât toata masa obisnuita la un loc, asa cum sugereaza masuratorile astronomice. Desigur, se spera ca puternicele coliziuni de la LHC vor crea si aceasta particula (printre altele) ce ar forma materia întunecata. Ar fi desigur un triumf sa putem verifica în laborator niste observatii astronomice.

 

O alta observatie dorita, dar destul de improbabila, este scoaterea în evidenta a unor dimensiuni spatiale aditionale ale Universului. Aceasta este o previziune cunoscuta a teoriei coardelor, unde un numar de sase sau sapte dimensiuni spatiale aditionale ar fi compactate foarte mult, în asa fel încât ele au scapat detectiei noastre de pâna acum. Astazi însa, prezicerea unor dimensiuni aditionale ale Unviersului a devenit foarte populara si a depasit granitele teoriei coardelor. Daca este asa, este posibil ca noile particule create sa poarte informatii despre acestea. Ca o paranteza, nimeni nu se asteapta sa putem verifica teoria coardelor, caci aceasta ar necesita energii mult prea mari pentru LHC.

 

O varianta mai putin populara a teoriei dimensiunilor aditionale este înglobarea unui univers spatial tridimensional (ca cel al nostru) într-unul de dimensiune mult mai mare, tot asa cum o hârtie bi-dimensionala face parte dintr-un spatiu tridimensional. În plus însa, numai gravitonii ar putea calatori în afara spatiului tridimensional, iar celelalte particule (sau forte) nu. Practic, în exemplul cu hârtia, fiintele bidimensionale nu ar parasi niciodata suprafata, ci doar gravitonii creati de ele. Consecinta directa este ca forta gravitationala devine mult mai puternica, crescând efectiv ceea ce oamenii de stiinta numesc dimensiunile lui Planck (adica acele dimensiuni la care gravitatia si mecanica cuantica joaca roluri egale). În final, o astfel de teorie permite crearea unor gauri negre microscopice, care au loc la energii de ordinul masei lui Planck si care astfel ar fi accesibile în experimentele LHC. Desi aceste gauri negre microscopice se vor evapora foarte repede, cercetatorii spera ca prezenta lor ne va da o imagine despre o fizica ce urmeaza însa sa fie descoperita.

 

Nu în ultimul rând, este posibil ca experimentele de la LHC sa ne arate ca particulele pe care noi le consideram elementare (ca electronul sau cuarcul) sa fie compuse. Şi acest scenariu este extrem de improbabil, caci nu exista pâna acum nici o astfel de sugestie, dar nu este imposibil. Oamenii de stiinta cred însa ca astfel de efecte ar fi observabile mai degraba la energii de 40TeV, adica mult peste cele obtinute la LHC.

 

Sumarizând, exista doua scenarii foarte discutate. Primul este ca la LHC se va gasi doar bozonul Higgs si nimic altceva… Acesta este un scenariu de cosmar pentru cercetatori, chiar daca foarte probabil… În acest caz ei ar trebui sa astepte probabil mii de ani pâna când se vor putea construi acceleratoare care sa probeze energii de ordinul masei lui Planck, 1019GeV, acolo unde sigur gravitatia trebuie sa fie combinata cu mecanica cuantica.

 

Problema masei bozonului Higgs, înca nerezolvata în modelul standard, sugereaza totusi ca o noua fizica se ascunde la energii de genul celor probate de LHC. Aceasta este si speranta cercetatorilor, care nu sunt atât în asteptarea unor confirmari (ca supersimetria, dimensiuni aditionale ale spatiului, etc.), ci în asteptarea unor noi rezultate experimentale care sa faca curatenie printre teoriile existente si sa imprime un nou avânt fizicii fundamentale, aflata astazi în impas, dupa aproape 25 de ani de la ultimele descoperiri majore… 

 

[aparut in Revista ‘Stiinta si Tehnica’, Sept-Oct 2008].

Abonează-te la newletter:

Caută în site



Formular de contact

Advertisment ad adsense adlogger