Dincolo de modelul standard? Iată ce înseamnă un boson W greu pentru viitorul fizicii

Coperta numărului actual al Ştiinţăjurnalul emblematic al Asociației Americane pentru Progresul Științei, vechi de 142 de ani, și una dintre cele mai bune reviste academice din lume, reușește să transmită o descoperire de cele mai multe vânzări conținută în paginile sale.

Un „W” mare de beton se află deasupra rămășițelor distruse ale unei mese care încapsulase cu grijă modelul complex de 17 particule pe care majoritatea fizicienilor le consideră blocurile de construcție ale materiei.

Sub imagine, cuvintele „Greutate grea: masa bosonului W este mai mare decât se aștepta”.

Numărul din 8 aprilie al Ştiinţă.

Descoperirea primește tratamentul lui Muhammad Ali deoarece teoria pe care o reprezintă masa spartă – modelul standard al fizicii particulelor – este „din toate punctele de vedere cea mai de succes teorie științifică din toate timpurile”, conform teoriei fizicianului de la Universitatea din Cambridge, David. Tong. “[It] dă răspunsul corect la sute de mii de experimente, în unele cazuri cu o precizie fără precedent în știință.

Dar de data aceasta, nu a fost cazul.

O inginerie interesantă s-a adunat cu un fizician al particulelor Ashutosh Kotwal, autorul principal al lucrării, pentru a afla de ce descoperirea este atât de importantă și cum echipa sa a reușit o asemenea ispravă de inginerie.

Cercetare de ultimă oră condusă de fizica elementară

Dacă doriți o indicație despre cât timp durează procesarea cifrelor și verificarea dublă cerută de fizica modernă, luați în considerare acest lucru. Datele din spatele acestui nou articol incredibil de provocator au fost colectate acum peste un deceniu.

Între 2002 și 2011, cercetătorii de la Laboratorul Fermi al Departamentului de Energie au trimis particule subatomice printr-un accelerator de particule numit Tevatron. Treaba lor a fost să acorde o atenție deosebită la ceea ce s-a întâmplat imediat după ce particulele s-au prăbușit. Iar si iar.

„Când protonii și antiprotonii se ciocnesc, multe particule zboară departe”, spune Kotwal. „Într-o anumită coliziune, poate 30 de particule zboară, poate 50 de particule. Vrei să măsori energia, poziția și direcția fiecăruia dintre ei”, a explicat el.

În timp ce experimentele se desfășurau, Tevatronul a fost cel mai puternic accelerator de particule din lume. A fost vârful absolut al științei, dar cercetătorii s-au bazat pe conceptele de bază ale fizicii.

„Dacă deschizi un manual de fizică de la licență, se spune că particulele încărcate se învârt în cerc când [they] trece printr-un câmp magnetic. Deci, ceea ce puteți face este să puneți strat peste strat de senzori de poziție [in the particle accelerator]. Deci, atunci când o particulă încărcată trece, înregistrează unde a mers particula”, spune Kotwal.

Acești senzori au înregistrat tone de date pe care computerele le pot interpreta, la fel ca o conexiune de înaltă tehnologie. Dar în loc de desenul bidimensional al unei broaște grozave, aceste modele au produs cercuri ale căror dimensiuni precise dețineau informații valoroase.

„Este un manual de fizică care, dacă poți măsura cu precizie raza acelui cerc și dacă cunoști cu precizie puterea câmpului magnetic, le poți combina într-o formulă simplă. [to determine] energia particulei”, a explicat el.

Studierea particulelor subatomice necesită o precizie incredibilă

Cercetătorii au folosit aproximativ 30.000 de senzori pentru a măsura razele acestor cercuri. Deoarece măsurarea a ceva atât de mic ca o particulă subatomică depinde de acuratețea acelor măsurători, este absolut esențial să știm exact – cu un nivel de precizie necesar practic în nicio altă circumstanță – unde este amplasat fiecare senzor.

Kotwal și echipa sa s-au bazat pe o sursă naturală de particule – razele cosmice – pentru a-i ajuta să-și alinieze senzorii mai precis decât oricând. Pământul este bombardat în mod constant de fragmente atomice de înaltă energie de la exploziile supernovei (și posibil și în alte locuri, deși oamenii de știință nu sunt complet siguri). Unele dintre aceste particule sunt protoni. Când se ciocnesc cu atomii din atmosfera superioară a Pământului, protonii se despart pentru a forma particule subatomice numite muoni, care sunt de aceeași clasă cu electronii, dar de aproximativ 200 de ori mai mari (muonii și electronii fac parte din cei 17 constituenți ai modelului standard).

Acești muoni se mișcă aproape cu viteza luminii și sunt incredibil de abundenți. Dacă ții mâna paralelă cu pământul, un muon va trece prin ea în medie în fiecare secundă. Aceasta înseamnă că traversau în mod constant Tevatronul.

„Le tratăm ca pe linii drepte [and] folosiți aceste linii pentru a ne alinia senzorii”, spune Kotwal.

„Am demonstrat că le putem alinia cu o precizie de un micron fiecare. În trecut erau trei sau patru microni”, spune el. Pentru referință, o șuviță de păr are aproximativ 100 de microni grosime.

Cercetătorii au făcut mai mult de o duzină de astfel de îmbunătățiri în ultima dată când au efectuat acest tip de experiment. „Le descriem pe fiecare, ce impact a avut și de ce… în comparație cu data trecută”, spune el.

Cum se încadrează această descoperire în imaginea de ansamblu?

Legile naturii în care credeau fizicienii ar fi avut, de asemenea, sens (mai mult sau mai puțin) pentru non-fizicieni până în jurul anului 1900. Apoi două idei complet contra-intuitive – mecanica cuantică și relativitatea – au izbucnit în scenă și au permis predicții atât de precise încât fizicienii serioși nu au avut de ales decât să-i ia în serios.

Mai mult de un secol mai târziu, cercetătorii încă caută o modalitate de a îmbina aceste teorii într-o „teorie a totul” perfectă. Dar acum un secol, fizicianul Paul Dirac a abordat-o. El „a creat o teorie comună” care a combinat principiile ambelor abordări, spune Kotwal.

De la început, au existat dovezi că abordarea lui de a folosi matematica pentru a găsi adevăruri profunde despre natura materiei a dat roade.

„Unul dintre lucrurile fantastice care a ieșit din munca lui Dirac a fost predicția că ar trebui să existe ceva asemănător antimateriei”, spune el. Această predicție a venit din ecuații care implicau că o particulă trebuie să aibă o particulă corespunzătoare, care este oglinda ei opusă.

„Și destul de curând antielectronul – pozitronul – a fost descoperit”, spune el.

De-a lungul deceniilor, teoria de bază a lui Dirac s-a dezvoltat pe măsură ce fizicienii au avansat. Ei au fost ajutați de faptul că o anumită ramură a matematicii – teoria grupurilor – părea să stea la baza multor fire disparate pe care le trageau.

Teoria a devenit un set de „principii coerente care descriu colectiv toată materia pe care o cunoaștem, toate forțele… și toate interacțiunile dintre materie și forțe”, spune Kotwal. „Așa a devenit din ce în ce mai cuprinzător”.

Se naște modelul standard

Dar a fost o problemă.

„Un lucru care împiedică [this theory] să lucrez – voi face o afirmaţie puternică – că Stop a funcționa este faptul că particulele au mase”, spune Kotwal. Adăugarea de mase la ecuație a făcut ca teoria să se „prabușească”.

Dar acesta nu a fost sfârșitul ecuației. “Unii oameni și-au dat seama că nu era nevoie să renunțe la întreaga teorie care funcționa deja bine. Trebuie doar să o modificați ușor”, spune Kotal. Această modificare a venit sub forma unei noi particule: bosonul lui Higgs nevăzut atunci.

„A devenit apoi ceea ce numim acum Modelul Standard, pentru că acum explica un alt puzzle, care este modul în care apar masele în toată această imagine”, spune el.

Această viziune a fost confirmată mai târziu, în 2012, când a fost observat pentru prima dată bosonul Higgs. S-a întâmplat în Large Hadron Collider, la doar doi ani după ce acel accelerator l-a uzurpat pe Tevatron drept cel mai puternic din lume.

Modelul standard nu explică absolut totul. Nu poate explica materia întunecată, relația dintre materia obișnuită și antimaterie, anumite aspecte ale bosonului Higgs sau, mai precis, gravitația. Dar asta explică aproape totul.

Dincolo de modelul standard?  Iată ce înseamnă un boson W greu pentru viitorul fizicii
Modelul standard sub forma unei funcții lagrangiane, așa cum a fost scris de matematicianul și fizicianul italian Matilde Marcolli.

Deci, ce este bosonul W?

Protonii și neutronii – particulele împachetate împreună ca strugurii în nucleul unui atom – nu se numără printre cele 17 particule din Modelul Standard. Acest lucru se datorează faptului că sunt formați din particule și mai mici, numite quarci.

Protonii și neutronii constau fiecare din trei quarci (de ex. numărul total de quarci minus numărul total de antiquarci este întotdeauna egal cu trei). Cu toate acestea, este cel de-al treilea quark foarte important care determină dacă o particulă este un proton sau un neutron. Această diferență este uriașă, deoarece protonii au nevoie de neutroni pentru a se strânge și a produce ceva dincolo de supa subatomică.

„Toate elementele pe care le știm conțin atât neutroni, cât și protoni”, explică Kotwal. “Fără [neutrons]nucleul atomului nu se poate forma.

Bosonul W este atât de important pentru că transformă acest al treilea quark într-un proton și transformă totul într-un neutron. Nu este ceva ce se întâmplă în viața de zi cu zi, dar este absolut esențial. Fără bosonul W, nimic nu ar exista așa cum îl știm noi.

Universul „ar fi fost compus din protoni și electroni. Ar fi fost doar hidrogen, hidrogen peste tot. Nimic din universul pe care îl vedem în jurul nostru – toată bogăția, toată complexitatea, noi – nu s-ar fi putut întâmpla… fără schimbul bosonului W”, spune el.

Este noua descoperire fatală pentru modelul standard?

Este imposibil de spus ce vor însemna în cele din urmă noile descoperiri pentru fizică. Pe de o parte, acestea trebuie confirmate. „Deși acesta este un rezultat intrigant, măsurarea trebuie confirmată printr-un alt experiment înainte de a putea fi interpretată pe deplin”, spune Joe Lykken, director adjunct al Fermilab.

Atunci va rămâne la latitudinea fizicienilor teoreticieni să dea sens noii mase ceva mai mari. Este posibil ca noi descoperiri A face introduceți ecuațiile. Ei „se vor uita cu atenție la calculul pur al modelului standard pentru a se asigura că există un spațiu de mișcare”, a spus Kotwal. Deși pare puțin probabil, modelul standard este incredibil de complex.

Alți teoreticieni vor analiza probabil „extensii” ale teoriei care ar actualiza ecuațiile pentru a reflecta noile descoperiri. Nu ar fi prima dată când noi informații îi determină pe fizicieni să reinventeze această ecuație în lumina noilor dovezi.

Și, în cele din urmă, vor fi mai multe experiențe. The Large Hadron Collider, de exemplu, urmărește aceste întrebări.

„Este un declanșator pentru noi toți să gândim larg”, spune Kotwal. “Îmi place să spun, nu trece cu vederea nimic. Pentru asta suntem aici. Așa că hai să facem tot ce putem. Din când în când, natura ne va arăta următorul mister. Poate că e după colț… … este povestea modelului standard Au apărut noi mistere [and] oamenii au înțeles ce au vrut să spună.”

.

Add Comment