Mai putem avea încredere în Modelul Standard al fizicii?15 min read

Brian Cox vine în România pe 3 aprile. Până atunci, iată un fragment din cartea „De ce E=mc²”, tradusă recent în limba română.

Câtă încredere putem avea că Modelul Standard e corect, cel puțin în limita de precizie a experimentelor actuale? De-a lungul anilor a fost supus la cele mai riguroase teste în diferite laboratoare din lume. Să nu ne gândim că oamenii de știință ar fi părtinitori; majoritatea celor care efectuează testele ar fi fericiți să descopere că Modelul Standard e infirmat sau că are neajunsuri. Ei visează să întrezărească noi procese fizice care pot deschide noi perspective asupra funcționării universului. Deocamdată, Modelul Standard a trecut fiecare test.

Cea mai recentă instalație de testare e Marele Accelerator de Hadroni de la CERN (Large Hadron Collider – LHC). Această colaborare a oamenilor de știință din întreaga lume își propune să confirme sau să infirme Modelul Standard; vom reveni curând la LHC. Predecesorul lui a fost Marele Accelerator de Electroni și Pozitroni (Large Electron‐Positron Collider – LEP), pe care au fost efectuate unele dintre cele mai precise teste de până în prezent. LEP era găzduit de un tunel circular de 27 de kilometri trecând pe sub Geneva și câteva sate pitorești din Franța, și a explorat lumea Modelului Standard timp de unsprezece ani, din 1989 până în 2000. Pentru a accelera fasciculele de electroni într-o direcție și cele de pozitroni în direcția opusă, s-au folosit câmpuri electrice intense. Simplu spus, accelerarea particulelor cu sarcină în câmpuri electrice seamănă cu mecanismul folosit pentru a trimite electroni pe ecranele tuburilor catodice ale televizoarelor vechi. Electronii sunt emiși din spatele televizorului – de aceea aparatele TV erau masive –, apoi sunt accelerați de un câmp electric spre ecranul din față. Un magnet curbează fasciculul și scanează ecranul pentru a construi imaginea.

Și la LEP au fost exploatate câmpurile magnetice, dar pentru ca particulele să se deplaseze circular, urmând arcul tunelului. Ideea experimentului era de a face să se ciocnească frontal cele două fascicule de particule. După cum știm deja, ciocnirea unui electron cu un pozitron poate duce la anihilarea ambilor, masele lor fiind transformate în energie. Pe fizicienii de la LEP îi interesa această energie, fiindcă putea fi convertită în particule mai grele, conform regulilor lui Feynman. În prima fază, electronul și pozitronul aveau energii precis reglate la valoarea care creștea mult probabilitatea de producere a unei particule Z (poți verifica în lista regulilor lui Feynman dacă procesul e permis). Particula Z are o masă mult mai mare decât alte particule – de aproape 100 de ori mai mare decât a protonului și de vreo 200.000 de ori mai mare decât a electronului sau a pozitronului. Electronul și pozitronul trebuiau deci accelerați la viteze apropiate de cea a luminii ca să aibă suficientă energie pentru a produce particula Z – energia zăvorâtă în masa lor și eliberată prin anihilare nu ajungea nici pe departe.

Scopul inițial al LEP era simplu: să producă permanent particule Z prin ciocnirile electron-pozitron. De fiecare dată când se ciocnesc două fascicule de particule, există o șansă rezonabilă ca un electron dintr-un fascicul să anihileze un pozitron din celălalt pentru a produce o particulă Z. În decursul funcționării lui, LEP a produs peste 20 de milioane de particule Z prin anihilarea electron-pozitron.

Ilustrație din carte.

La fel ca celelalte particule grele din Modelul Standard, Z nu e stabilă și supraviețuiește doar 10 ^–25 secunde înainte să dispară. Figura 21 ilustrează diferitele procese posibile pentru particula Z de care s-au interesat cei vreo 1.500 de fizicieni de la LEP, ca să nu mai vorbim de alte mii din lumea întreagă, care așteptau cu nerăbdare rezultatele. Folosind detectori de particule gigantici care înconjurau locul unde avea loc anihilarea electron-pozitron, fizicienii au captat produșii dezintegrării lui Z și i-au identificat. Detectorii de particule ca aceia folosiți la LEP sunt ca niște camere digitale uriașe, înalte și late de mai mulți metri, care pot urmări particulele atunci când trec prin ei. La fel ca acceleratoarele, sunt realizări mărețe ale ingineriei moderne. În peșteri de dimensiunile unei catedrale, pot măsura energia și impulsul unei singure particule subatomice cu o precizie extraordinară. Sunt rezultatul tehnologiei de vârf, devenind astfel monumente ale dorinței noastre colective de a explora funcționarea universului.

Înarmați cu acești detectori și cu multe computere performante, oamenii de știință au urmat o strategie destul de simplă: trebuiau să scotocească prin datele lor pentru a identifica acele ciocniri în care a fost produsă o particulă Z, iar apoi, pentru fiecare ciocnire, să afle cum s-a dezintegrat particula Z. Uneori se producea o pereche electron-pozitron; alteori, un cuarc și un anticuarc, sau un miuon și un anti-miuon (vezi figura 21). Misiunea lor era să contabilizeze de câte ori Z s-a dezintegrat prin fiecare mecanism permis de Modelul Standard, și să compare rezultatele cu valorile prezise de teorie.

Având la dispoziție peste 20 de milioane de particule Z, au putut supune la un test dur corectitudinea Modelului Standard, iar datele au arătat că teoria funcționează minunat. Acest exercițiu se numește măsurarea lărgimilor parțiale, și a fost unul dintre cele mai importante testări ale Modelului Standard efectuate la LEP. De-a lungul timpului, au fost efectuate multe alte teste, iar de fiecare dată teoria Modelului Standard a funcționat. În anul 2000, când LEP și-a încheiat activitatea, datele lui testaseră Modelul Standard până la o precizie de 0,1 la sută.

Înainte de a închide subiectul testării Modelului Standard, vrem să mai dăm un exemplu legat de un alt tip de experiment. Electronii (și multe alte particule elementare) se comportă ca niște magneți minusculi, iar pentru măsurarea acestor efecte magnetice au fost concepute experimente foarte frumoase. Nu-i vorba de ciocnirea brutală a materiei cu antimateria, ci de experimente ingenioase care le-au permis oamenilor de știință să măsoare magnetismul cu o precizie de unu la un bilion. E ca și cum ai măsura distanța de la Londra la New York cu o marjă de eroare mai mică decât grosimea unui fir de păr. La rândul lor, fizicienii teoreticieni au lucrat din plin: au calculat același lucru. Pe vremuri o făceau cu creionul și hârtia, dar acum și teoreticienii au nevoie de computere puternice. 

Pornind de la Modelul Standard, teoreticienii au calculat predicțiile lui, iar rezultatele sunt în perfect acord cu cifrele experimentale. În prezent, teoria și experimentul concordă până la precizia de zece părți pe miliard. Este unul dintre cele mai precise teste la care a fost supusă o teorie în istoria științei. Grație în mare măsură rezultatelor de la LEP și experimentelor privind magnetismul electronilor, avem acum un grad ridicat de încredere că Modelul Standard al fizicii particulelor e corect în linii mari. Teoria noastră arată bine – cu excepția unui ultim detaliu, care, de fapt, e foarte important. Ce sunt ultimele două rânduri ale ecuației fundamentale?

Mărturisim că până acum am ascuns o informație esențială pentru scopul cărții noastre, și e momentul s-o dezvăluim. Simetria la etalonare pare să impună condiția ca toate particulele din Modelul Standard să aibă masă zero. Dar e absolut fals. Obiectele au masă, nu-i nevoie de experimente complicate ca s-o dovedești. De la bun început ne-am gândit la asta, și am dedus cea mai celebră ecuație din fizică, E = mc², care îl conține pe „m“. Ultimele două rânduri ale ecuației fundamentale sunt acolo ca să rezolve problema. Înțelegându-le, vom ajunge la capătul călătoriei noastre, fiindcă vom avea o explicație a înseși originii masei.

Problema masei e ușor de formulat. Dacă încercăm să adăugăm masa direct în ecuația fundamentală, simetria la etalonare se strică. Dar, așa cum am văzut, simetria la etalonare se află în chiar miezul teoriei. Folosind-o, am făcut să apară toate forțele din natură. Mai mult, în anii 1970 teoreticienii au demonstrat că abandonarea simetriei la etalonare nu-i o soluție, fiindcă atunci teoria ar fi distrusă. Aparentul impas a fost rezolvat în 1964 de trei grupuri de oameni de știință lucrând independent unele de altele. François Englert și Robert Brout, în Belgia, Gerald Guralnik, Carl Hagen și Tom Kibble, la Londra, și Peter Higgs, la Edinburgh, au scris articole de referință care au dus la ceea ce avea să se numească mecanismul Higgs.

Fragment din cartea De ce E= mc²?  (Și de ce e important s-o știm?) de Brian Cox și Jeff Forshaw, apărută la Editura Humanitas în traducerea lui Iulian Comănescu.

Brian Cox vine la București pe 3 aprilie 2024 pentru conferința Horizons – A 21st Century Space Odyssey pe care o va susține la Sala Palatului. Biletele costă de la 157,5 lei pe iabilet.ro/