ce urmează după bozonul higgs

8/13/2019 Ce urmează după bozonul Higgs

1/8

Ce urmează după bozonul Higgs? A fost 4 iulie 2012, ziua în care a fost anun ată, de către cercetătorii de la CERN, ca a fostidentificat bozonul Higgs, după aproape cinci decenii de căutări. De dragul preciziei vom

spune că ei au anun at identificarea unei particule, care ori este mult căutatul bozon, orieste una care îi seamănă foarte mult (Higgs like particle). A fost o zi de mare sărbătoarepentru fizicieni, i nu numai pentru ei. Modelul Standard, teoria fundamentală a mecaniciicuantice, primea o ultimă confirmare. A fost identificată ultima particulă care completateoria. Să fie acesta sfâr itul căutărilor în fizică? Avem, în sfâr it, o teorie căreia nu trebuiesă îi mai adăugăm nimic? Modelul Standard este teoria supremă a fizicii? Răspunsul nueste, nici măcar pe departe, unul afirmativ. Să vedem de ce.

Modelul Standard Modelul standard reprezintă teoria fundamentală a mecanicii cuantice. El descrie matematic particulele elementare și modul în care ele interacț ionează. Cam aceasta ar fi, în numai două

propoziț ii, o descriere a Modelului Standard.

Deși el poate fi prezentată în atât de puț ine cuvinte, nu trebuie să cădem în capcana simplităț ii.Modelul Standard, deși simplifică mult mecanica cuantică, este foarte departe de a fi unulsimplu. Este un model plin de un formalism matematic cât se poate de abstract, cel puț in pentrunoi, oamenii de rând. Dar, pe de altă parte, o dată cu apariț ia sa, pe la jumătatea anilor 1960,Modelul Standard a dus la clarificarea fizicii care guvernează Universul mic. Aș fi vrut sa vă prezint câteva detalii ale acestuia, dar ne-ar trebui prea multe cuvinte. Ar fi nevoie să scriem o broșură întreagă despre Modelul Standard, asta numai pentru a vă face o introducere. Sper să nuvă supăraț i pe mine dar, deocamdată, vom apela la o abordare minimalistă.

Conform Modelului Standard avem numai două gupe mari de particule elementare: fermionii (cei din care este alcătuită materia) și bozonii (particulele care intermediază interacț iunile dintrefermioni). Am mai vorbit despre ele, în articolul în care v-am prezentat bozonul Higgs. Avem 12fermioni și patru bozoni (la care se adauga și ultimul descoperit, bozonul Higgs, cel care dă masămateriei), deci un total de numai 17 particule elementare din care este alcătuit Universul.Desigur, ar trebui aici să adăugăm și antiparticulele, dar despre ele vom vorbi ceva mai încolo.Important este că Modelul Standard a putut realiza predicț ii foarte precise asupra unor particulecare nu fuseseră descoperite încă. Numai ca exemplu vă pot spune ca masele a doi bozoni, W șiZ, purtătorii interacț iei slabe (cea care este responsabilă de dezintegrarea radioactivă a nucleului)au putut fi calculate cu mare precizie înainte ca ei să fie descoperiț i. Astfel, conform calculelor bozonul W ar fi trebuit să aibă o masă de 80,390 ± 0,018 GeV. Valoarea măsurată, după

descoperirea lui, a fost de 80,387 ± 0,019 GeV. În cazul bozonului Z, masa teoretică era 91,1874± 0,0021, în timp ce valoarea măsurată era 91,1876 ± 0,0021 GeV. ( Daț i-mi voie să fac aici unmic comentariu. Nu ar trebui să vă neliniș tească unitatea de măsură a masei, GeV

(gigaeletronvolt). Ea este utilizată în mecanica cuantică numai pentru că este mai comod de

folosit. Numai aș a, de culoare, vă pot spune că în mecanica cuantică ș i lungimea, ș i timpul, pot

fi exprimate în unităț i GeV.)

http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Modelhttp://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Modelhttp://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Modelhttp://en.wikipedia.org/wiki/Fermionhttp://en.wikipedia.org/wiki/Fermionhttp://en.wikipedia.org/wiki/Fermionhttp://en.wikipedia.org/wiki/Bosonhttp://en.wikipedia.org/wiki/Bosonhttp://en.wikipedia.org/wiki/Bosonhttp://en.wikipedia.org/wiki/Bosonhttp://en.wikipedia.org/wiki/Fermionhttp://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model


2/8

Tabloul parti culelor elementare care alcătuiesc Modelul Standard.

Iar faptul că Modelul Standard este unul corect a fost confirmat și prin descoperirea ultimului bozon prevăzut de teorie: bozonul Higgs. Suntem deci în faț a unui model foarte eficient pentru astudia și descrie lumea cuantică. Mulț i afirmă despre Modelul Standard că este cea maiimportantă teorie a fizicii din toate timpurile. Foarte probabil că această afirmaț ie este corectă.Dar putem afirma că Modelul Standard este teoria supermă, că nu mai trebuie să îi adăgămnimic? Răspunsul este, așa cum veț i vedea mai departe, unul negativ. Să vedem de ce.

Probleme cu Modelul Standard Prima dintre ele este evidentă. Dacă ne uităm la lista bozonilor, despre care vă spuneam căintermediază for ț ele fundamentale ale naturii, veț i vedea că nu avem nici unul pentru gravitaț ie. Modelul Standard nu ne spune nimic despre această for ț ă fundamentală a naturii care poartă

numele de atracț ie gravitaț ională. De aici vine și marea problemă a fizicii moderne. Avem defapt două teorii extrem de puternice (Modelul Standard și Teoria Relativităț ii), care au existenț eaproape independente una de alta. Prima ne poate descrie cu exactitate lumea cuantică, dar nu ne

http://stiintasitehnica.com/stiinta/particula-dumnezeu/index.htmlhttp://stiintasitehnica.com/stiinta/particula-dumnezeu/index.htmlhttp://stiintasitehnica.com/stiinta/particula-dumnezeu/index.htmlhttp://stiintasitehnica.com/stiinta/particula-dumnezeu/index.html


3/8

poate spune nimic despre gravitaț ie și a doua, care ne explică comportarea Universului la scarămare, dar nu poate fi aplicată în lumea particulelor elementare.

Mai sunt și alte aspecte în faț a cărora Modelul Standard rămâne mut. Interesant este faptul căunele dintre probleme vin din observaț ii asupra Universului la scară mare. Nu încerc să le enunț

pe toate și nici nu încerc să intru în prea multe detalii. Dar, din rândurile care urmează cred că ne putem face o imagine asupra neputinț elor actualului Model Standard.

Știm acum că materia obișnuită reprezintă numai circa 4,6% din Universul cunoscut. În schimb,am descoperit că mai există o formă de materie, despre care nu știm mare lucru. Este vorbadespre materia întunecată, despre care știm că interacț ionează numai gravitaț ional cu materiaobișnuită. Aceasta reprezintă circa 23 % din Univers. Ei bine, Modelul Standard nu ne oferă niciun indiciu despre această alcătuirea acestei misterioase materii întunecate.

Mai știm, am aflat-o prin 1998, că expansiunea Universului este una accelerată. Până în acelmoment se credea că expansiunea universului trebuie să încetinească sub acț iunea for ț ei de

atracț ie gravitaț ionale. Există, la scara Universului, o for ț ă antigravitaț ională. ModelulStandard nu poate fi de ajutor pentru a explica acest fenomen.


4/8

”Compozi ia” Universului: materie întunecată – 26,8%, materie obi nuită – 4,9%, energieîntunecată – 68,3%

Dacă ne îndreptăm către începutul Universului, știm că în primele fracț iuni de clipită acesta secomporta ca un sistem cuantic. Dar tot atunci, extrem de aproape de momentul iniț ial s-a produsun fenomen excepț ional. În foarte scurt timp Universul și-a mărit foarte brusc volumul. Acestfenomen poartă numele de inflaț ie și în favoarea producerii lui avem dovezi clare, obț inute cuajutorul sondei WMAP. Procesele care au dus la inflaț ia din acea vreme nu pot fi explicate cuajutorul Modelului Standard.

Tot la începutul Universului ar fi trebuit să se genereze, din imensa densitate de energie amomentului respectiv, cantităț i egale de materie și antimaterie. Totuși materia a fost produsă încantităț i un pic mai mari decât cele de antimaterie. Este vorba, tehnic vorbind, despre violareasimetriei CP (nu vă temeț i vom spune mai încolo câteva cuvinte despre ea). De aceea trăim într -un univers dominat de materie. Modelul Standard nu are o explicaț ie pentru această întâmplare.

http://www.gophoto.it/view.php?i=http://stiintasitehnica.com/wp-content/uploads/2013/10/Planck-only_Cosmic-recipe-pie-chart.jpg


5/8

Așa cum am spus mai devreme, această listă a problemelor legate de Modelul Standard nu esteuna completă. Dar cred că aț i prins ideea. Avem de-a face cu o teorie foarte puternică, una careeste capabilă să ne spună foarte multe despre Universul la scara particulelor elementare, darmodelul matematic pe care ni-l oferă nu este capabil să răspundă la o serie de întrebărifundamentale. Din acest motiv este nevoie de o extindere a Modelului Standard, care să poată

explica cât mai multe dintre anomaliile prezentate mai sus. De mai multă vreme se vorbește de oasemenea extindere, care a căpătat şi un nume: Modelul Standard Extins (Beyond StandardModel – BSM). Piesa centrală a acestei extinderi o constituie existenţa unor noi particule,superparteneri ai particulelor luate în calcul de actualul Model Standard. Se vorbeşte despresupersimetrie, iar partenerii se numesc supersimetrici.

Vai! Iar m-am grăbit. Am sărit o etapă. Mai întâi trebuie să vă vorbesc despre…

Simetrie Adică simetrie în sensul mecanicii cuantice. Aţi remarcat, sper, în povestea aceasta a noastră căam amânat de două ori discuţia despre antimaterie. Acum a sosit momentul să vorbim despre ea.

În 1928 P.A.M. Dirac, faimos fizician englez, în încercarea sa de a reconcilia mecanica cuanticăcu teoria relativităţii (reconciliere care a rămas o problemă până în zilele noastre) a elaborat oecuaț ie, care acum îi poartă numele. Ecuaț ia Dirac, valabilă pentru orice particulă încărcatăelectric, cum ar fi electronii, dezvăluia o simetrie fundamentală a naturii. Este vorba de simetriaCP (Charge Parity – Sarcină Paritate). Altfel spus, dacă în ecuaț ia lui Dirac se schimbă semnulsarcinii electrice și semnul coordonatei spaț iale ecuaț ia rămâne în continuare valabilă. Pentruorice particulă încărcată electric ar trebui să existe un partener identic din toate punctele devedere (în sens cuantic, desigur) dar cu semn schimbat. Iniț ial Dirac nu a vrut să creadă căecuaț ia lui însemnă o dublare a numărului de particule elementare. Credea că, de exemplu, partenerul cu sarcină pozitivă a electronului ar fi protonul (în acea vreme nu se descoperiseră

cuarcii, iar protonul era considerat ca fiind o particulă elementară). Mai apoi, analizândimplicaț iile, și-a dat seama că acest lucru este imposibil. A înț eles că există o simetriefundamentală în lumea aceasta, a mecanicii cuantice. Confirmarea avea să vină în curând, în1929, când rusul Dmitri Skobelț in, a descoperit pozitronul în radiaț iile cosmice. (De fapt, îldescoperise chiar din 1923, dar rezultatele i-au părut prea ciudate.) Mai trebuie să vă spun căPremiul Nobel pentru descoperirea pozitronului i-a fost acordat altcuiva, unui renumit fizicianamerican pe nume Carl D. Anderson. Asta e viaț a, se întâmplă uneori și în științ ă asemenealucruri.

Acum vedeț i că atunci când vorbeam de 12 fermioni nu aveam un tablou complet. Vorbeamnumai despre particulele care alcătuiesc materia. Acum trebuie să adăugăm câte un partener, o

antiparticulă, pentru fiecare particulă încărcată electric din tabloul nostru. Vorbeam mai sus desimetria CP. Poate că ar fi utilă o analogie, în încercarea de a clarifica un pic lucrurile. Căutaț irepede o oglindă.

Dacă aț i găsit una, e foarte bine. Dacă nu aveț i una la îndemână, apelaț i la imaginaț ie sau, mai bine, la amintirile dv. Priviț i în oglindă. De pe partea cealaltă vă privește o copie identică a dv.Dar știț i prea bine, copia nu este chiar identică. Este de ajuns să incercaț i să citiț i o carte care seaflă de cealaltă parte a oglinzii pentru a înț elege despre ce este vorba. Imaginea reflectată este

http://en.wikipedia.org/wiki/Physics_beyond_the_Standard_Modelhttp://en.wikipedia.org/wiki/Physics_beyond_the_Standard_Modelhttp://en.wikipedia.org/wiki/Physics_beyond_the_Standard_Modelhttp://en.wikipedia.org/wiki/Physics_beyond_the_Standard_Modelhttp://en.wikipedia.org/wiki/Paul_Dirachttp://en.wikipedia.org/wiki/Paul_Dirachttp://en.wikipedia.org/wiki/Dirac_equationhttp://en.wikipedia.org/wiki/Dirac_equationhttp://en.wikipedia.org/wiki/Dirac_equationhttp://en.wikipedia.org/wiki/Dirac_equationhttp://en.wikipedia.org/wiki/Dirac_equationhttp://en.wikipedia.org/wiki/Quarkhttp://en.wikipedia.org/wiki/Quarkhttp://en.wikipedia.org/wiki/Positronhttp://en.wikipedia.org/wiki/Positronhttp://en.wikipedia.org/wiki/Positronhttp://en.wikipedia.org/wiki/Positronhttp://en.wikipedia.org/wiki/Quarkhttp://en.wikipedia.org/wiki/Dirac_equationhttp://en.wikipedia.org/wiki/Paul_Dirachttp://en.wikipedia.org/wiki/Physics_beyond_the_Standard_Modelhttp://en.wikipedia.org/wiki/Physics_beyond_the_Standard_Model


6/8

copia dv, numai că acolo dreapta a luat locul stângii. Este vorba despre ce spuneam mai sus, desimetria de paritate, care, mai pe înț elesul omului obișnuit este simetria de reflexie. Să neimaginăm această lume din oglindă, ca fiind una reală. Să ne imaginăm un Univers în carefiecare dintre atomii noștri este plasat simetric faț ă de cei din lumea reală. Corpul dv va aveainima în partea dreaptă, ficatul în stânga și așa mai departe. Dincolo de aceste modificări,

lucrurile vor funcț iona normal. Corpul dv din universul din oglindă va funcț iona identic.Universul din oglindă se comportă la fel ca cel în care trăim. Dar se întâmplă ceva la energiifoarte mari. Simetria la reflexie nu se mai respectă. În termeni tehnici spunem că avem o violare,sau o spargere de simetrire. Oglinda este foarte puț in deformată. Repet, la nivelul de energie încare trăim, nici nu remarcăm această spargere de simetrie.

Să mergem mai departe. Acum să mai facem o transformare a imaginii din oglindă. Nu vom aveanumai simetria la reflexie ci și una a sarcinii electrice. Asta înseamnă că electronul din oglindanoastr ă va avea sarcină pozitivă. Aceeași inversare de sarcină se va produce și pentru cuarciicare alcătuiesc protonii și neutroni din oglindă. Dincolo de oglindă se vor găsi partenerii cusarcină electrică inversată ai particulelor din lumea noastră. Ca rezultat vom avea un univers

populat de antiatomi în loc de atomi. Cum va funcț iona un asemenea univers? Va funcț ionaîntocmai ca al nostru. Dar și aici, vom avea, în zona energiilor înalte o spargere de simetrie.Acesta este motivul pentru care, în primele momente de după Big Bang, în momentele în caredensitatea de energie a Universului era enormă, a fost generată o cantitate de materie puț in maimare faț ă de cantitatea de antimaterie. La fiecare 100.000 de perechi particulă antiparticulă secoagula o particulă suplimentară.

De ce v-am spus toate acestea? Pentru că am vrut să vă faceț i o imagine asupra conceptelor desimetrie și de spargere de simetrie. Asta pentru că acum vine partea mai complicată a expuneriinoastre. Vom vorbi despre…

Supersimetrie Ar mai putea exista o oglindă în natură. Una mai stranie. Spuneam că Modelul Standard împartelumea în fermioni (particulelele elementare care alcătuiesc materia) și bozoni (particulele careintermediază for ț ele care se exercită între particule). Supersimetria vorbe te de al i parteneri,de o altă oglindă. Astftel, fiecare fermion are ca partener un nou bozon i fiecare bozon areca partener un nou fermion. Partenerii bozoni ai fermionilor sunt numi i punând un ”s” înfa a numelui fermionului (avem astfel selectron, scuark etc.). Pentru partenerii fermioni aibozonilor, se adaugă sufixul ”ino” (fotino, gluino etc).

Ideea existenț ei acestei supersimterii a apărut prin 1981, în încercarea de a explica de ce este odiferenț ă atât de mare în valoare între for ț ele fundamentale ale naturii. De ce este gravitaț ia atât

de slabă în raport cu celelalte for ț e fundamentale? Aceasta este așanumită ” problemă a ierahiei”cu care se confruntă Modelul Standard.

Spuneam că această oglindă a supersimetriei este una mai stranie. Vreau să mă explic. Aplicândanalogiile pe care le-am făcut mai sus, ar trebui ca particulele partenere din lumea supersimetricăsă difere de perechea lor numai prin mărimea cuantică numită spin. Am mai spus, atunci când vă povesteam despre bozonul Higgs, că fermionii au spinul semiîntreg, în timp ce bozonii au spinulzero sau întreg. Ar trebui ca acești parteneri (mai bine zis, superparteneri) să aibă aceeași masă

http://en.wikipedia.org/wiki/Hierarchy_problemhttp://en.wikipedia.org/wiki/Hierarchy_problemhttp://en.wikipedia.org/wiki/Hierarchy_problem


7/8

ca și corespondenț ii din lumea Modelului Standard. Dacă ar fi fost așa, atunci particulelesupersimetrice ar fi putut fi detectate de multă vreme cu ajutorul acceleratoarelor de particule.

Dacă această supersimetrie va fi confirmată (sunt unele indicii ca va fi) va fi una spartă, unaviolată. Și asta nu numai pentru energii mari. Avem o oglindă care creează imagini puternic

deformate. Într-o asemenea oglindă un pitic slăbănog se va vedea ca un uriaș obez. Stranieoglindă, trebuie să recunoaștem. Superpartenerii ar trebui să aibe mase de 100 până la 1.000 deori masa unui proton.

Acum vom schimba pentru puț in timp subiectul. Vom vorbi un pic despre teoria stringurilor. Învarianta iniț ială aceasta se referea strict la bozoni. Numai aceștia putea fi trataț i ca fiind niștecorzi (strings) unidimensionale care vibrează într -un anume fel. Dar teoria stringurilor, așa cumspunea și Leonard Suskind, în cartea The cosmic landscape (din care citez adesea) se dorea a fi oteorie care să includă și fermionii. Mai mult, teoria stringurilor dorește să includă și gravitaț ia,devenind astfel multcăutata teorie a totului (TOE – Theory Of Everything). Nu a trecut multăvreme și a apărut teoria superstringurilor, care includea și fermionii. Ei bine, această nouă teorie

impune (obligă la) existenț a superpartenerilor. În absenț a lor, modelul matematic alsuperstringurilor își pierde consistenț a. Din acest motiv identificarea particulelor din oglindaspartă a supersimetriei a devenit foarte importantă pentru a obț ine o primă confirmareexperimentală a corectitudinii teoriei supercorzilor. Trebuie să vă spun că nu ar fi vorba despre oconfirmare definitivă, ci mai degrabă de un indiciu important că ea este o teorie valabilă. Teoria superstringurilor ar trece dincolo de o frumoasă ipoteză a fizicii.

Pe de altă parte, există și mai multe teorii de tipul Dincolo de Modelul Standard (BeyondStandard Model), extinderi ale Modelului Standard actual, care includ existenț a supersimetriei.Trebuie să vă mărturisesc că aici am fost pus în mare dificultate. Pe parcursul documentării pentru acest articol am găsit în Scientific American, iunie, 2003, un foarte interesant articol

intitulat ”Physics Beyond the Standard Model” (Fizica dincolo de Modelul Standard), semnat deGordon Cane, profesor la Universitatea din Michigan. El este un teoretician care studiază tocmaiextinderea Modelului Standard. În articolul amintit el scria, referitor la aspectele pe care acestanu le poate explica, dintre care eu am enunț at câteva ceva mai devreme: ” Modelu l Standard NU POATE EXPLICA aceste fenomene. Asta nu înseamnă că teoria nu le le poate explica acum,dar le va explica în viitor. Modelul Standard este o teorie foarte constrângătoare, i nu [le] va putea explica NICIODATĂ [...].”

Căutări Căutarea superpartenerilor a început deja. Au fost efectuate măsurători la acceleratorulTEVATRON al Fermilab. Nu a putut fi identificat nici un superpartener.

Între timp acest accelerator a fost scos din funcț iune iar ștafeta a fost preluată de către LHC. Așacum vă spuneam mai devreme superpartenerii ar trebui să aibă mase între 100 până la 1.000 deori masa protonului. Asta înseamnă că avem nevoie de energii foarte mari pentru a le putea”materializa”. Fizicianul american Brian Greene (cunoscut de dv ca realizator al documentarului”Elegant Universe”) explica pentru The Economist: ”M aș ina [LHC-ul] nu pulverizează particule pentru a vedea ce se află în interiorul lor. Eke se ciocnesc, având energii foarte mari.

De la Einstein încoace, din faimoasa sa formulă, E=mc^2 , ș tim că energia ș i masa sunt acelaș i

http://en.wikipedia.org/wiki/Leonard_Susskindhttp://en.wikipedia.org/wiki/Leonard_Susskindhttp://en.wikipedia.org/wiki/Leonard_Susskindhttp://en.wikipedia.org/wiki/The_Cosmic_Landscapehttp://en.wikipedia.org/wiki/The_Cosmic_Landscapehttp://en.wikipedia.org/wiki/The_Cosmic_Landscapehttp://en.wikipedia.org/wiki/Theory_of_everythinghttp://en.wikipedia.org/wiki/Theory_of_everythinghttp://en.wikipedia.org/wiki/Theory_of_everythinghttp://en.wikipedia.org/wiki/Tevatronhttp://en.wikipedia.org/wiki/Tevatronhttp://en.wikipedia.org/wiki/Brian_Greenehttp://en.wikipedia.org/wiki/Brian_Greenehttp://en.wikipedia.org/wiki/Brian_Greenehttp://en.wikipedia.org/wiki/The_Elegant_Universehttp://en.wikipedia.org/wiki/The_Elegant_Universehttp://en.wikipedia.org/wiki/The_Elegant_Universehttp://en.wikipedia.org/wiki/Brian_Greenehttp://en.wikipedia.org/wiki/Tevatronhttp://en.wikipedia.org/wiki/Theory_of_everythinghttp://en.wikipedia.org/wiki/The_Cosmic_Landscapehttp://en.wikipedia.org/wiki/Leonard_Susskind


8/8

lucru. Energia ciocnirii [dintr e două particule] este convertită în masă […]. Cu cât mai mare

este energia implicată în coliziune, cu atât este mai mare masa particulelor care apar în urma

ciocnirii. Ș tim că dacă aceș ti superparteneri ar exista, atunci ei ar trebui să fie deosebit demasivi, altfel i-am fi descoperit deja. Iar dacă LHC -ul nu îi va putea desoperi asta nu înseamnă

că ei nu există. Pur ș i simplu vom avea nevoie de o maș ină mai mare.”

Deocamdată LHC-ul nu ne-a oferit nici un răspuns clar în ceea ce privește superpatenerii. Dar sănu uităm că el nu a ajuns încă la parametrii nominali de funcț ionare. Energia coliziunilor esteabia la jumătate din cea proiectată. Abia după operaț iunile de întreț inere de anul viitor el vaajunge la valorile maxime ale energiilor implicate. Trebuie deci să avem răbdare pentru că…

Încheiere Pentru că, așa cum afirma John H. Schwarz, profesor la Caltech: ”În opinia mea, LHC -ul vadescoperi dacă există sau nu există superarteneri, după câ iva ani de func ionare […]. Pe dealtă parte, dacă LHC -ul (sau o altă ma ină) va descoperi supersimetria, aceasta ar putea fiuna dintre cele mai importante realizări ale umanită ii. Ar fi una mult mai profundă decâtdescoper irea vie ii pe Marte.”

ce urmează după bozonul higgs

Documents