Čudesni svijet elementarnih čestica: Standardni Model Fizike

Čudesni svijet elementarnih čestica: Standardni Model Fizike

Razumijevanje da se svekolika raznolikost svijeta sastoji samo od šačice elementarnih čestica pod utjecajem nekoliko elementarnih sila predstavlja jedan od najvećih trijumfa fizike u 20. stoljeću. Put ka ovom razumijevanju nije bio jednostavan, te su fizičari u jednom trenutku bili suočeni sa jako čudnom kolekcijom „fundamentalnih čestica“ – bilo ih je više nego elemenata u periodnom sistemu. Bilo je potrebno razumijevanje matematičke simetrije u kombinaciji sa eksperimentima, u uslovima sličnim onima neposredno nakon Velikog praska, da fizičare dovedu do elegantne teorije koju imaju danas.

Tradicionalna ljepota teorijske fizike se nalazi u njenim jednakostima. Ukoliko želimo opisati nešto, ili način na koji se neka stvar ponaša, u mogućnosti smo napisati relaciju između određenih osobina i pravila za koja smatramo da se ta stvar mora pridržavati.

Ukoliko imate masu lopte, visinu, ugao i jačinu s kojom je bacate, fizika će vam reći putanju lopte, koliko dugo će se zadržati u zraku, koliko daleko i koliko jako će udariti u zemlju. Fizika je u stanju opisati ovaj proces sa samo nekoliko jednostavnih osobina.

Ali šta ako želite da opišete samu loptu? Možete reći da je crvena, na primjer, ali šta to stvarno znači? Da bi opisali boju potrebno je uzeti u obzir svjetlo koje se odbija od loptu. Možete reći da je napravljena od plastike, ali morate opisati molekule, te atome od kojih se one sastoje i, na kraju, subatomske čestice od kojih se sastoje atomi.

Od jednostavnosti do raznolikosti

U ranim 30-tim godinama se činilo da je cijeli svijet izgrađen od samo tri elementarna gradivna bloka: protoni i neutroni od kojih se sastoji nukleus, i elektroni koji upotpunjuju atom. Elektroni su za atom vezani putem elektromagnetizma, pošto ih privlače protoni koji su suprotnog električnog naboja. Međutim, da bi objasnili zašto ne dolazi do raspada jezgre, zbog međusobne odbojne sile među protonima od kojih je jezgro sačinjeno, bilo je potrebno uvesti novu silu koja bi djelovalo na maloj razdaljini. Ta sila je jaka nuklearna sila.

Ova jednostavna slika nije dugo potrajala. Predviđalo se postojanje  antičestica koje su imale neke osobine (kao što je masa) jednake, a druge (kao što je naboj) suprotne normalnim česticama, te su takve čestice naposljetku i pronađene. Činilo se da eksperimenti na radioaktivnom beta raspadu, gdje se jedan hemijski element spontano pretvara u drugi uz emitovanje elektrona, prkose zakonu o očuvanju energije i momenta. Da bi se očuvale ove osobine predloženo je da dolazi do emitiranja dodatne čestice, po imenu neutrino, koja bi bila nosioc energije koja nedostaje.

Neutrino čestica ne osjeti uticaj elektromagnetne ili jake nuklearne sile, te je iz tog razloga ostala neprimjećena u eksperimentima beta raspada. Stvara se putem nove sile koja također djeluje na maloj razdaljini, slaba nuklearna sila, koja je toliko slaba da bi neutrina, u prosjeku, mogla prodirati kroz svjetlosne godine materijala kao što je željezo prije nego što dobiju značajnu priliku za interakciju, te se iz tog razloga smatralo da ih nije moguće detektirati. Kako god, veliki tokovi neutrina u nuklearnim reaktorima su 50-tih godina doveli do njihovog eksperimentalnoga otkrića. Od tada je postojanje ovih čestica potvrđeno iz mnoštva različitih izvora – akceleratora, reaktora, Sunca, Supernove i interakcija kosmičkih zraka.

Tokom 50-tih i 60-tih je, u eksperimentima koristeći kosmičke zrake, pokazano da se prilikom sudara uz dovoljno energije između čestica poput protona i jezgre mogu stvoriti nove čestice koje bi dio energije sudara pretvorile u masu, prema dobro poznatoj jednačini \small E = mc^{2}. Ove čestice su nestabilne i jako brzo se raspadaju u stabilnije oblike, otprilike za \small {10}^{-23} sekundi putem jake nuklearne sile, ili nešto sporije za \small {10}^{-10} sekundi putem slabe nuklearne sile.

Do 1970-tih godina je broj ovih takozvanih „elementarnih čestica“ prerastao broj hemijskih elemenata.

Nazad ka jednostavnosti

Na svu sreću situacija je ponovo mnogo jednostavnija. Sada se čini da postoje samo dvije klase elementarnih gradivnih jedinica materije, pod imenom kvarkovi i leptoni. Kvarkovi osjećaju uticaj jake nuklearne sile, leptoni ne. U normalnom okruženju, gdje su kinetičke energije po čestici jako male, može se pronaći samo dvoje od svake klase.

Elektroni i neutrino čestice su leptoni. Međutim, protoni i neutroni više ne predstavljaju elementarne čestice, nego su izgrađeni od dva tipa kvarkova koji su nazvani „up“ i „down“. Svaki proton i neutron u sebi sadrži tri kvarka: proton ima dva „up“ i jedan „down“; neutron jedan „up“ i dva „down“. Električni naboji ovih kvarkova su +2/3 za up i -1/ 3 za down (u odnosu na naboj elektrona -1), pa neutron nema naboja a proton je pozitivno nabijen sa 1.

Ovaj jednostavni obrazac se ponavlja pri većim energijama, ali samo dva puta, što nas vodi do tri generacije kvarkova i leptona. Također, svaki kvark i svaki lepton ima svoju antičesticu, pa se na kraju sve svodi na po 6 kvarkova, antikvarkova, leptona i antileptona.

Osjeti silu

Očekuje se da sve čestice osjete uticaj sile gravitacije koja je, međutim, strašno slabog intenziteta u poređenju sa drugim silama. Na primjer, elektromagnetna sila između protona i elektrona je za \small 10^{40} puta jača od sile gravitacije. Sve čestice su pod uticajem slabe nuklearne sile. Kvarkovi i leptoni sa električnim nabojem osjete elektromagnetu silu, a kvarkovi još osjete jaku nuklearnu silu.

Sile kroz koje čestice utiču jedna na drugu se prenose putem drugačijeg tipa objekta. Nosioci tih sila se nazivaju bozoni. Nosioc elektromagnetizma je foton. Za gravitaciju se smatra da je prenosi čestica pod imenom graviton, ali te čestice još uvijek nisu pronađene.

Objekti koji nose jaku nuklearnu silu i lijepe kvarkove u cjeline (po imenu Hadroni) su dobili ime gluoni. Za razliku od fotona, gluoni mogu imati interakcije između sebe. Jedna od posljedica ovog je povećanje intenziteta sile s daljinom, te se kvarkovi vežu unutar hadrona. Iz tog razloga do sada nije bilo moguće pronaći slobodne kvarkove. Gluoni su prvi put otkriveni 1979. godine u DESY laboratoriji u Njemačkoj.

Teorija o jakim interakcijama, nazvana kvantna hromodinamika, je dosta razvijena i konzistentna s eksperimentima iako je jako teško je precizno testirati.

Prvobitno se smatralo da je čestica s nabojem, nazvana W čestica (W stoji za englesku riječ weak), odgovorna za slabu nuklearnu silu.

Međutim, tokom 60-tih godina su fizičari uspjeli ujediniti naizgled jako različite fenomene elektromagnetizma i slabe nuklearne sile u jedinstven matematički okvir, što danas čini srži teorije o elektroslabim interakcijama.

Elektromagnetna sila ima klasični recipročan kvadratni zakon (poput Njutnove sile gravitacije) i beskonačan raspon. Nasuprot tome, slaba nuklearna sila je pod normalnim okolnostima jako nemoćna i ograničena na podnuklearne udaljenosti. Protoni se u jezgri Sunca sudaraju jako često tokom jedne sekunde, ali do pretvaranja pojedinačnog protona u neutron (što je potreban korak kod pretvaranja vodika u helijum) u prosjeku dolazi tek nakon 5 milijardi godina sudaranja.

U teoriji elektroslabih interakcija postoje 4 posrednika. Beztežinski foton prenosi elektromagnetnu silu, dok se slaba nuklearna sila prenosi pomoću tri masivne čestice: nabijene W+ i W- čestice i neutralna Z čestica, koje imaju masu otprilike 100 puta veću od protona. Snaga ovih nosioca je identična, ali masivna priroda W i Z čestica ograničava njihov dohvat na jako male udaljenosti, što je posljedica principa neodređenosti iz kvantne mehanike. Čestice se ne uspijevaju približiti dovoljno jedna drugoj prilikom sudara na relativno malim energijama, pa ne dolazi do razmjene između W i Z čestica. Međutim, na visokim energijama ovi bliski susreti su uobičajeni, što potvrđuje elektroslabo ujedinjenje. Jedna od spektakularnih potvrda je pronalazak W i Z čestica u CERN – u 1983. godine. Ova je teorija do danas provjerena mnogo puta s jako velikom tačnošću.

Simetrije

Simetrije igraju značajnu ulogu u fizici o elementarnim česticama. U mehanici, elektromagnetizmu, i u jakim interakcijama, ne postoji razlika između „lijevo“ i „desno“. Jedan proces i njegova slika u ogledalu se dešavaju jednak broj puta. Slično tome, osmotriv proces nastupa s jednakom vjerovatnoćom ukoliko sve njegove čestice zamijenite odgovarajućim antičesticama. Na mikroskopskom nivou, zakoni za jedan proces i za odgovarajući proces koji bi se odvijao unazad u vremenu bi trebali biti isti. Na makroskopskom nivou ova vremenska reverzibilnost ne vrijedi, ali to je više posljedica statistike nego osnovnih zakonitosti.

Tokom 50-tih  je otkriveno da za slabe interakcije prve dvije simetrije ne važe. U stvari, u potpunosti su pogrešne. Obrnut proces beta raspadu se ne može uočiti ukoliko se istovremeno čestice ne zamijene odgovarajućim antičesticama, ali je čak i ova kombinirana simetrija prekršena u nekim rijetkim procesima. Ne razumije se još uvijek zašto dolazi do ovog prekršaja, ali se vjeruje da je to jedan od ključnih razloga za prevagu materije nad antimaterijom  u ovom univerzumu.

Teorija o elektroslabim silama i kvantna hromodinamika su uključene u ono što danas nazivamo standardnim modelom fizike.

Standardni Model Fizike

Teorijska fizika se trudi razviti opis svega što postoji i to sve na jednom mjestu. Ultimativni cilj je „Teorija Svega“ ali se gravitacija, u svim dosadašnjim razmatranjima, ne ponaša na način koji bi odgovarao takvoj teoriji.

Za sve ostalo što se nalazi u bespućima Svemira, pored gravitacije, postoji Standardni model fizike elementarnih čestica, koji opisuje svaku česticu koju poznajemo i interakcije između njih putem preostalih sila.

Sve što trebamo je napisati jednakost koja opisuje sve do sada navedeno u tekstu.

I evo je:

Ima smisla, zar ne?

Baš kao što možemo opisati putanju lopte kroz zrak sa samo nekoliko informacija, tako i parametri u navedenoj jednakosti osiguravaju da dinamika teorijskih čestica odgovara onome što vidimo u stvarnom svijetu.

Ova jednakost je teorijskim fizičarima lijepa, elegantna, kompaktna, te pokazuje nekoliko simetrija koje očekujemo da vidimo u prirodi. Šta onda nije uredu sa njom? Nije stvar u tome da sadrži previše termina – ipak ona opisuje interakciju svega što je postojalo ikad. Problem je u tome što je potrebno imati dodatne informacije.

Standardni model ima 19 parametara koje određujemo pomoću eksperimenta: većinu masa, i faktore koji određuju određene interakcije između grupa. Ova činjenica malo umanjuje ljepotu Standardnog modela – potpuna teorija ne bi trebala zahtjevati dodatne informacije.

Također, postoji nekoliko stvari za koje fizičari smatraju da nedostaju u standardnom modelu (pored gravitacije). Jedna od njih je nedostatak prostora za uklapanje čestica tamne materije. Postojanje Higgsovog bozona, čestice koja je jako dugo ostala neotkrivena i bila samo teorijski apstrakt, je na svu sreću nedavno potvrđeno, te se velike nade polažu da će to otkriće razjasniti nedostatke standardnog modela i dovesti do njegovog dubljeg razumijevanja.

_

plus.maths.org

theconversation.edu.au