TEMA BROJA - ELEMENTARNE ČESTICE
Pripremio: M. R.
Nerešene zagonetke
 |
Džon Elis (John Ellis) |
Fantastičan napredak u razumevanju mikrosveta, poznat kao Standardni model (SM), koji po svim fizičkim i matematičkim opisima pokazuje da su naučnici na pravom putu, sadrži i izvestan broj zagonetki koje nauka nije odgonetnula. Najveća zagonteka - pitanje Higsovog bozona - na putu je da sada bude razrešena. Na pitanje: da li se sa stopostotnom sigrunošću može kazati da je otkriven Higsov bozon, prof. Šijački veli da „naučnici moraju da budu oprezni, iako se uvek na osnovu postojećih naučnih znanja može sa određenom preciznošću izvesti neki zaključak“.
Postoje i druge zagonetke u SM, a li nisu toliko značajne kao što je to Higsov bozon. Ipak, njihov značaj nije zanemarljiv, što ukazuje na to da će LHC u sledećih dvadeset godina biti mesto značajnog razvoja nauke, gde će još biti uzbudljivih momenata sličnih otkriću Higsove čestice.
Evo kako je gospodin Džon Elis (John Ellis), jedan od vodećih fizičara današnjice, objasnio šta je Higgsov bozon: “Ja se nadam da neće naći Higgsov bozon, jer ću ja u tom slučaju ostati bez posla”. Ovo je rekao uz širok osmeh i sigurno je da se i on nadao ovom otkriću.
Kad bismo posmatrali prirodu na mnogo većim energijama od onih na kojima eksperimentišu naučnici u CERN-u, onda su mase čestica daleko manje značajne, praktično su zanemarljive i nisu centralno pitanje. Na najvišim energijama koje su fizičarima sada dostupne i u neposrednoj budućnosti pitanje masa, fizičarima je bilo važno pitanje SM. Da bi se to pitanje razrešilo, bilo je potrebno da se osmisli narušenje simetrije. Ono je ostvareno preko Higsove čestice. Ona je način kako se ona narušava na uslovno rečeno nižim energijama. Anologno ovome, postoje druga narušenja simetrije u fizici elementarnih čestica koja će možda imati odgovor nastanka mase preko Higsove čestice. Jedno od narušenja je narušenje levo-desno simetrije. Čestice levorukog aspekta imaju slabe interakcije, koje se prenose preko velikog otkrića u CERN-u od pre tridesetak godina – tzv. + i - W čestica. Desne komponente čestica imaju redukovane interakcije. Pomoću energija kojima se raspolaže u CERN-u moguće je otkriti interakcije koje će delovati u punoj meri i na desne komponente čestica. Jedno od mogućih otkrića je nova vrsta Higsove čestice, koja će biti odgovorna za levo-desno narušenje simetrije.
U prirodi je narušena i CP ? simetrija, koja je vezana za narušenje odnosa materije i antimaterije. Fizičarima još nije jasno kako je ta simetrije narušena. Moguće je da je mehanizam narušenja ove simetrije sličan narušenju ostvarenom Higsovom česticom, a možda i na neki drugi način. To pitanje je vezano za dominaciju materije nad antimaterijom u kosmosu. To je zagonetka e neki sledeći korak u objašnjenju SM, koja nije objašnjena.
Važno pitanje su čestice od kojih se sastoje familije čestice. Postoje familije čestica - kvarkovi leptoni. Da bi teorija SM matematički bila zatvorena u većini fizičkih fenomena sa kojima se srećemo pre odlaska na visoke energije, dovoljno je da postoji samo jedna familija čestica. Zašto postoje tri ili više od jedne, i to je jedna od velikih zagonetki. I konkretno: zašto postoje tri familije? Neki eksperimenti potvrđuju da je reč upravo o tri a ne o dve ili četiri familije. Na to pitanje treba proširiti sadašnja znanja i dati zadovoljavajući odgovor.
Za familije čestica je vezana zagonteka veze kvarkova i leptona. U svakoj familiji čestica imamo po dva kvarka i dva leptona. Ispostavlja se da se kvarkovi i leptoni u odnosu na neke interakcije (sile) slično ponašaju, npr., na elektromagnetne i slabe sile. U odnosu na nuklearnu sile, ponašaju se sasvim drugačije. Postoje ideje po kojima su kvarkovi i leptoni samo različiti aspekti jedne vrste nadčestice koja je opisana nekom narušenom simetrijom i da zbog tog narušenja neka svojstva vidimo onako kako ih vidimo kroz kvarkove, a druga kroz leptone. Možda je reč o jednoj čestici sa različitim svojstvima. Ta veza između kvarkova i leptona definitivno postoji, ali još nemamo dovoljno razumevanja prirode te veze i to je nešto što će se u CERN-u istraživati na sadašnjim i sledećim još većim energijama.
Jedna od zagonetki koja je veoma značajna jeste pitanje odnosa fundamentalnih čestica i gravitacije, gravitacije u kvantnom domenu. To pitanje je vrlo malo proučeno jer je gravitacija u kvantnom domenu vrlo složen fenomen koji najmanje znamo. N iz aspekata fizike elementarnih čestica je vezan za gravitacione fenomene i nećemo imati suštinsko razumevanje prirode dok ne napravimo prodor u svet gravitacije. Između ostalog, masa jeste gravitacioni fenomen. A kada govorimo o masi u fizici elementarnih čestica, govorimo tako kao da ona nema veze sa gravitacijom. To jeste gravitaciona strana razumevanje prirode. I bilo koje drugo pitanje koje uključuje pitanje mase oslanja se na razumevanje gravitacije u mikrosvetu. Između ostalog, i Higsove čestice koje daju masu ostalim česticama, utiču na njihova gravitaciona svojstva.
U kontekstu gravitacije, vrlo objektivno pitanje je ideja da su gravitacija i druge fundamentalne interakcije samo aspekti jedne jedinstvene interakcije na nižim energijama. Da jedinstvena interakcija funkcioniše u višedimenzionalnom prostoru i da je taj prostor-vreme opet narušen, da je njegova simetrija narušena i mi nezavisno vidimo trodimenzionalni prostor-vreme u kome živimo i da nezavisno postoje neke ekstradimenzije koje su veoma male, pa gravitaciju asociramo sa prostor-vreme, a fundamentalne reakcije sa esktradimenzijama. Ako su to aspekti jedinstvene interakcije u prirodi u nekom višedimenzionalnom prostoru, onda je zagonetka kakav je on, kako on narušava stanje u prirodi da mi posebno vidimo gravitaciju a posebno druge interakcije. Neke odgovore na ta pitanja možda možemo da dobijemo u CERN-u. Tako da je i to inetersantno za CERN danas i u neposrednom periodu u kome će detektori biti unapređivani a čitava mašina raditi na većim energijama. Na taj način će se pomerati granice mogućnosti novih saznanja u narednih dvadeset godina.
Na kraju, pitanje veze fizike elementar nih čestica sa svemirom i sa kosmologijom posmatraće se kroz pitanje „tamne materije“. I deo ovog pitanja moguće je razjasniti u CERN-u. Te neke zagonetke fizike čestica mogu da se sagledaju i otkriju kroz eksperimente u LHC.
M. R.
Iz štampe
Lepota Higsovog bozona
Prašina se polako sleže, nova čestica je otkrivena pomoću Velikog hadronskog sudarača. Otkriće nove čestice u prirodi nije svakodnevna pojava i mi imamo pravo da kažemo da je ovo Higsov dolazak. Ipak, mi nismo sigurni: potrebna je pažljivija analiza karakteristika čestice pre nego što kažemo da smo sigurni - želimo da znamo da ima nulti spin i da intereaguje sa drugim česticama snagom koja je proporcionalna njegovoj masi. Odgovori na ta i mnoga druga pitanja biće otkriveni sledećih meseci i godina. Sve je ovo veoma bitno, ali zašto? Zašto je otkriće nove čestice nešto oko čega se treba toliko uzbuđivati? - pita se Džef Foršo ( Jeff Forshaw ), profesor fenomenologije elementarnih čestica na Školi za fiziku i astronomiju u Mančesteru, u autorskom članku The Beauty of Higgs bozon.
Lepota ovog otkrića se najbolje može ceniti, kaže Foršo, tako što se udubite u njega, naučite ponešto o matematici i vidite one zadivljujuće jednačine u svoj njihovoj slavi. Primeri uključuju Ajnštajnovu jednačinu opšteg relativiteta, Dirakovu jednačinu za elektrone i Lagranžovu koja se nalazi u srcu Standardnog modela fizike elementernih čestica. Ovo je tip lepote koja menja svet. Ovo nije uzbuđenje i nije produkt ljudskog uma - svakoga ko je to proučavao ostavlja sa preovlađujućim utiskom da prirodni svet funkcioniše po nekim prelepim pravilima i da smo mi srećni što ih možemo uvideti . Uzbudljivo je provoditi vreme razmišljajući o tome. Smatramo da su to univerzalna pravila ...
Situacija je dovoljno ekstremna da takve veličine kao što su Ajnštajn i Hoking prizivaju Boga. Ali oni su sigurno koristili tu reč kako bi iskazali intimnu vezu između ljudskog uma i slavne pojmljivosti univerzuma (…)
Lepa fizika je takođe neodoljiva. Kao da priroda poseduje neku vrstu savršenosti koja nas vodi u našoj potrazi za pravilima igre. Rezultat je da mi često imamo mali ili nikakav izbor kada pokušavamo da shvatimo koju jednačinu da zapišemo. Pa (...) nemamo drugi izbor nego da prosto uzviknemo: “Ta jednačina jednostavno mora izgledati ovako”.
Dirakova prelepa jednačina je upravo takva - opisuje elektron i predviđa postojanje njegovog antimaterijskog partnera, pozitrona. Naše poznavanje porekla interakcija između čestica (sile) je takođe takvo - počev od veoma proste teorije po kojoj čestice ne stupaju ni u kakve odnose (dakle, nema zvezda ni ljudi) i ideje da je priroda simetrična na određeni način, mi prosto moramo da uvedemo interakciju u teoriju - simetrija tera našu ruku i diktira nam kako će teorija izgledati.
Simetrija je često oruđe koje nas vodi ka elegantnim i ubedljivim teorijama. Pahuljica je simetrična - ako nacrtate njen deo, verovatno ćete moći dobro da nacrtate i ostatak. I jednačina može isto tako biti simetrična, što znači da nam je možda potreban samo njen deo kako bismo znali i ostatak. U slučaju interakcije čestica, simetrija znači da moramo izvesti njihovo preko potrebno postojanje, počev od jednostavnijih jednačina koje opisuju svet bez ikakvih interakcija... Genije Piter Higs i drugi fizičari koji su predložili postojanje Higsovog bozona ozbiljno su uzimali u obzir simetriju. Ista ta simetrija koja nam "besplatno" daje teoriju o interakciji čestica takođe se pojavljuje, na prvi pogled, kako bi predvidela da bi sve elementarne čestice u prirodi trebalo da budu bez mase. Ovo je pogrešno i suočavamo se s problemom ili da odbacimo simetriju koja nam je toliko toga pružila (iako to nije bilo poznato kada je Higs ranih šezdesetih bio pionir u toj oblasti) ili da pronađemo genijalno rešenje.
Higsova ideja jeste to rešenje - ona kaže da je prazan prostor ispunjen Higsovim česticama koje odbijaju čestice koje inače ne bi imale masu dok se kreću - što je veća masa čestice, to će je Hogsov bozon više odbiti od sebe. Kao rezultat toga, fundamentalne jednačine zadržavaju njihovu cenjenu simetriju da čestice dobiju masu. Vera u ideju da prirodni zakoni moraju biti elegantni i zadovoljavajući ponovo pruža uvid u suštinu. Higsovo otkriće je dragulj u kruni fizike elementarnih čestica i vredno svedočanstvo zadivljujuće lepote prirode, zaključuje mladi britanski fizičar, koji onima koji hoće da nešto više nauče o fizici čestica preporučuje svoj Introduction to Modern Day of the Particle Physics .
“The Observer” |
|
