Recepeți e-mailuri despre viitoarele programe NOVA și conținuturi conexe, precum și reportaje despre evenimente actuale prin prisma științei.
De la The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind (Povestea extraordinară a bosonului Higgs și alte lucruri care vă vor da peste cap) , o relatare din interior a istoriei operaționale a LHC și a căutării bosonului Higgs, de Don Lincoln. Publicat de Johns Hopkins University Press. Retipărit cu permisiunea editorului.
Matematicianul din epoca victoriană Augustus de Morgan a scris:
Puricii mari au pe spatele lor purici mici care îi mușcă
Și puricii mici au purici mai mici, și așa la infinit.
Și puricii mari au ei înșiși, la rândul lor, purici mai mari pentru a merge mai departe,
În timp ce aceștia din nou au purici și mai mari, și încă și mai mari, și așa mai departe.
Acest pasaj des citat este o parodie a lucrării lui Jonathan Swift din 1733, On Poetry: A Rhapsody , care a fost scrisă despre poezie. Cu toate acestea, oamenii de știință au luat aceste rânduri ca pe o metaforă pentru lumea naturală. Pe măsură ce învățăm despre micromondenă, ne confruntăm rapid cu observația că toată materia este alcătuită din molecule. Moleculele sunt la rândul lor alcătuite din atomi, care la rândul lor sunt alcătuite din electroni și nuclee atomice. Nucleele sunt formate din protoni și neutroni, iar aceștia sunt compuși din quarci.
Cu toate acestea, din câte știm, quarcii și electronii sunt ea. Acesta este capătul liniei în ceea ce privește structura. Spre deosebire de atom sau de proton, care au o structură bogată, cu interacțiuni complexe între componentele lor, în prezent se crede că quarcii și electronii nu au nicio structură internă. Atât din punct de vedere teoretic, cât și fizic, ei sunt considerați ca fiind puncte matematice.
Bineînțeles că oricine cu un strop de imaginație nu se poate abține să nu spună: „Acum, stați puțin. De ce nu ar putea quarcii și leptonii înșiși să aibă o structură internă?”. Ei bine, există un singur răspuns posibil și anume „ar putea”. Quarcii și electronii (și, prin extensie, toți leptonii) ar putea fi făcuți din obiecte și mai mici. Sau ei (destul de improbabil) ar putea fi într-adevăr fundamentali (adică să nu aibă părți mai mici, cu alte cuvinte, fără structură).
Înainte de a merge mai departe, să luăm în considerare dimensiunile implicate. Totul în micromondenă este mic. O singură moleculă este atât de mică încât ați putea plasa un milion de molecule una lângă alta într-un singur milimetru. Ele sunt atât de mici încât nu puteți folosi lumina obișnuită pentru a le vedea. Și totuși, aceste obiecte atât de mici sunt enorm de mari: de un miliard de ori mai mari decât frontiera de cercetare.
Moleculele sunt compuse din atomi, care au aproximativ o zecime din dimensiunea moleculelor. Imaginea mentală a unui atom ca un mic sistem solar, cu soarele ca nucleu și electroni planetari, este greșită și totuși nu este lipsită de merit. Ea evidențiază faptul că un atom este format în cea mai mare parte din spațiu gol, cu electronii rotindu-se frenetic departe de un nucleu mic și dens. Raza nucleului este de aproximativ 10.000 de ori mai mică decât cea a atomului și ocupă doar o trilionime din volum.
Nucleul atomului este format din protoni și neutroni, strânși strâns laolaltă. Imaginea mea mentală a nucleului este o masă de ouă de broască sau de bile după ce a fost manipulată de un copil mic cu degete foarte lipicioase. Fiecare proton sau neutron are o lățime de aproximativ 10 -15 metri și ar fi nevoie de un trilion așezat cap la cap pentru a acoperi un singur milimetru. Asta e puțin.
Protonii și neutronii conțin în interiorul lor quarci și gluoni. Cel mai simplu mod de a ne gândi la un proton este că există doi quarci up și un quarc down prinși într-un câmp de forță de gluoni. Gândiți-vă la trei bile de plastic numerotate într-unul dintre acele aparate de loterie cu aer suflat și veți înțelege ideea de bază.
Dar imaginea mentală a quarcilor ca bile de plastic are un defect major. Bilele nu sunt cu mult mai mici decât o mașină de loterie. Quarcurile sunt mici. Poate că o imagine mentală mai bună a protonului sunt trei mici pete de polistiren în aceeași mașină.
Deci, ce știm despre mărimea quarcilor? Mai devreme am spus că nu au dimensiune, și cu siguranță așa îi tratează teoria actuală. Totuși, ca experimentator, sunt mai preocupat de măsurători. Dumneavoastră, cititorii, trebuie să fiți curioși să aflați care sunt măsurătorile care au relevat dimensiunea unui quarc. Și acum răspunsul… un ropot de tobe, vă rog… nu au făcut-o. Acest lucru nu înseamnă că nu știm nimic despre mărimea lor. Am studiat această întrebare destul de amănunțit și știm exact cât de bune sunt echipamentele noastre. Dacă quarcii (și electronii) ar fi fost mai mari de aproximativ zece mii de ori mai mici decât un proton, am fi văzut că au o dimensiune. În toate experimentele noastre, nu am văzut niciodată nici măcar cel mai mic indiciu credibil al unei dimensiuni. Prin urmare, concluzionăm că, deși nu putem spune care este de fapt dimensiunea unui quarc sau a unui electron, putem spune cu siguranță că, dacă quarcurile au o dimensiune, acestea sunt mai mici de o zecime din dimensiunea unui proton.
Dacă această idee este greu de înțeles, haideți să ne gândim cât de mic este un obiect pe care îl puteți vedea cu ochii. Puteți vedea cu ușurință un grăunte de nisip. Cu un efort foarte considerabil, ați putea să vedeți cea mai mică bucățică de făină din dulapul dumneavoastră. Dar cam atât. Cu ochiul liber, nu puteți vedea nimic mai mic. Astfel, atunci când vă decideți să priviți un germen cu ochiul liber, ați putea concluziona că acesta nu are nicio dimensiune, dar concluzia strict corectă pe care ar trebui să o trageți este că germenii sunt mai mici decât o mică pată de făină.
Cu un echipament mai bun, să zicem un microscop puternic, se poate vedea că germenii chiar au o dimensiune măsurabilă. Deci, odată ce ai atins limita echipamentului tău, trebuie pur și simplu să-ți iei un microscop mai puternic. Microscopul care este LHC și cei doi detectori primari ai săi vor observa dimensiunea quarcilor dacă aceștia nu sunt mai mici de 20 sau 30 de miimi din dimensiunea unui proton… sau vor stabili o limită care este de aproximativ două sau trei ori mai mică decât se crede în prezent.
În timp ce observațiile, intuiția și șansoneta lui de Morgan pot fi suficiente pentru a susține o suspiciune ocazională că alte niveluri de materie pot apărea la dimensiuni din ce în ce mai mici – un nou strat sau un nou set de straturi în ceapa cosmică – există, de asemenea, motive mai științifice. De exemplu, luați în considerare tabelul periodic. În timp ce Mendeleev intenționa să fie o schemă de organizare, odată cu formularea teoriei atomului nuclear și a mecanicii cuantice în primele decenii ale secolului al XX-lea, a devenit clar că tabelul periodic era de fapt prima indicație a structurii atomice, cu jumătate de secol înainte de a înțelege cu adevărat mesajul tabelului.
În timp ce povestea spusă de tabelul periodic a sugerat în mod clar structura atomică, povestea radiației nucleare sugerează, de asemenea, structura nucleului. De exemplu, cesiul ( 137 55 Cs, cu cincizeci și cinci de protoni și optzeci și doi de neutroni) emite un electron și devine bariu ( 137 56 Ba, cu cincizeci și șase de protoni și optzeci și unu de neutroni).
Să luăm aceste exemple istorice și să aplicăm raționamentul la lumea modernă. Ne dăm seama că lecțiile istorice nu se aplică întotdeauna. Dar uneori o fac.
„Tabelul nostru periodic” de particule este prezentat în imaginea de mai sus. Organizarea sa este diferită de tabelul periodic chimic. În figură, există șase tipuri de quarci. Quarcurile up, charm și top au toate sarcină +⅔ (într-un sistem în care sarcina unui proton este +1), iar masa quarcului charm o depășește pe cea a quarcului up, care la rândul său este depășită de cea a quarcului top. În mod similar, quarcurile down, strange și bottom au toate sarcina electrică -⅓, iar masa crește pe măsură ce se merge spre dreapta.
În tabelul periodic modern, unitățile „chimic similare” sunt rândurile, spre deosebire de coloanele din tabelul lui Mendeleev. Vedem că există trei „generații” sau copii de carbon ale aceluiași model de quark și lepton. Acest lucru amintește foarte mult de indiciile pe care ni le dădea tabelul periodic chimic în a doua jumătate a secolului al XIX-lea.
Există o altă asemănare istorică de luat în considerare. La fel cum diferitele nuclee atomice se pot dezintegra în alte nuclee, la fel pot face și quarcii și leptonii. Un quarc top poate să se dezintegreze într-un quarc bottom și într-un boson W. De asemenea, muonul se poate dezintegra într-un electron și în doi neutrini. Sunt posibile și alte tipuri de dezintegrare a quarcilor și leptonilor. De fapt, toate particulele din a doua și a treia generație se dezintegrează în cele din prima generație. Un indiciu crucial este faptul că singura forță care poate schimba un quarc sau un lepton în altul (noi spunem „schimba „aroma” quarcului sau leptonului”) este forța slabă. Mai mult, în mod specific, numai bosonul W încărcat electric poate face acest lucru.
Nu există dovezi concrete că prezența generațiilor de quarci și leptoni indică faptul că quarcii și leptonii sunt ei înșiși compuși din particule mai mici (nedescoperite până în prezent). Cu toate acestea, analogia istorică este puternic sugestivă și, cu siguranță, merită o atenție mai atentă. Faptul că, prin emiterea unui boson W, se poate schimba aroma quarcului sau a leptonului este un indiciu extrem de valoros care le strigă ceva important fizicienilor.
Îmi doresc doar să fi avut inteligența de a înțelege ce spune.
Cu toate acestea, chiar și fără intuiția crucială care deschide larg enigma, putem specula în mod inteligent pe această temă și (mult mai important) putem cerne prin grămezile noastre de date, căutând indicii suplimentare. Ca în cazul tuturor căutărilor de noi fenomene fizice, trebuie să faci o presupunere educată cu privire la ceea ce trebuie să cauți și apoi să cauți. Așadar, care sunt semnăturile experimentale probabile ale structurii quarcilor?
Din punct de vedere istoric, unul dintre cele mai bune locuri pentru a căuta au fost cele mai violente coliziuni. Zdrobești două obiecte între ele și vezi câte coliziuni există la fiecare nivel de violență. Mai exact, vă uitați la cantitatea de „violență laterală”. Din punct de vedere tehnic, numim acest lucru impuls transversal , ceea ce înseamnă perpendicular pe rază. Există motive tehnice pentru această alegere, dar în principal se datorează faptului că trebuie să lovești ceva puternic pentru ca acesta să se deplaseze lateral față de direcția sa inițială.
În prezent, majoritatea fizicienilor adoptă o atitudine de „așteptare și de așteptare”, preferând să vadă ce indicii ne va da universul. Chiar și așa, au fost propuse nume pentru aceste obiecte mai mici decât quarcii, cel mai popular fiind „preon” (de la pre-quark). Cu toate acestea, fiecare fizician teoretician care a elaborat o teorie și-a inventat propriul nume, fiind sugerate subquarcuri, maoni, alfoni, quink, rishoni, tweedle, heloni, haploni și particule Y. Mie îmi cam plac numele de quinks sau tweedles.
Care va fi următoarea mare descoperire? Nu am nici o idee. Este foarte posibil să fie unul dintre subiectele menționate aici. Sau, chiar mai interesant, ar putea fi ceva complet neașteptat; ceva care să ne lovească din senin. Așa cum se spune, timpul va spune.