Simetriile fundamentale ale naturii

Scris de Nicolae Mihai pe 14 Octombrie 2008 (Marţi). Ultima actualizare pe 07 Noiembrie 2008 (Vineri)

Acum o săptămână, Premiul Nobel pentru Fizică pe 2008 a fost decernat pentru studiul simetriilor fundamentale ale Naturii. Mai precis, pentru cum sunt ele rupte, pentru a crea Universul nostru aşa cum îl ştim. Echipa StiintaAzi.ro a tradus pentru dumneavoastră, cu acord scris al NobelPrize.org, explicaţiile pentru public oferite chiar de Comitetul Premiilor Nobel.

Premiul Nobel in Fizica 2008

De ce este ceva in loc de nimic? De ce sunt atat de multe particule elementare? Laureatii Nobel de anul acesta in Fizica au prezentat noi perspective teoretice care ne ofera o mai adanca intelegere a ceea ce se intampla adanc inauntrul etajelor celor mai mici cladiri de materie.

Dezvăluirea simetriilor ascunse ale naturii

Legile naturii de simetrie sunt la inima acestui subiect: sau mai degraba, simetriile rupte, amandoua care par a fi existat in universul nostru chiar de la nasterea sa si acelea care in mod spontan si-au pierdut simetriile originale undeva pe drum.

In fapt, suntem cu totii copiii simetriei rupte. Trebuie sa fi aparut imediat dupa Big Bang acum in jur de 14 miliarde de ani in urma cand la fel de multa antimaterie ca si materie a fost creata. Intalnirea dintre cele doua este fatala pentru amandoua; se anihileaza una pe cealalta si tot ce ramane este radiatie. Evident, totusi, materia a castigat in fata antimateriei, altfel nu am fi existat. Dar suntem aici, si doar o mica deviatie de la simetria perfecta pare sa fi fost indeajuns - o particula in plus de materie pentru fiecare zece miliarde de particule de antimaterie a fost destul pentru a face ca lumea noastra sa supravietuiasca. Acest exces de materie a fost samanta intregului nostru univers, care s-a umplut cu galaxii, stele si planete - si in cele din urma viata. Dar ce zace in spatele acestei violari a simetriei din cosmos este inca un mister major si domeniul unui camp activ de cercetare.

O simetrie rupta neexplicata la nasterea universului. In Big Bang, daca la fel de multa materie ca si antimaterie a fost creata, ar fi trebuit sa se anihileze una pe cealalta. Dar un mic exces de o particula de materie pentru fiecare zece miliarde de particule de antimaterie a fost destul pentru a face materia sa invinga in fata antimateriei. Acest exces de material a umplut cosmosul cu galaxii, stele, planete, si in cele din urma viata.

Prin geamul de sticla

Pentru multi ani fizica a fost concentrata pe gasirea legilor naturale care sunt adanc ascunse in cadrul gamei largi de fenomene pe care le vedem in jurul nostru. Legile naturale ar trebui sa fie perfect simetrice si absolute; ar trebui sa fie valide prin intregul univers. Aceasta abordare pare adevarata pentru majoritatea situatiilor, dar nu intotdeauna. Acesta este motivul pentru care simetriile rupte au devenit subiectul de cercetare al fizicii la fel de mult ca si simetriile insasi, lucru care nu este remarcabil avand in vedere ca in lumea noastra simetria perfecta este un ideal rar.

Variate tipuri de simetrii si simetrii rupte sunt parte a vietii noastre de zi cu zi; litera A nu se schimba cand ne uitam la ea in oglinda, in timp ce litera Z rupe aceasta simetrie. Pe de alta parte, Z arata la fel cand o intorci de sus in jos, dar daca faci la fel cu litera A, simetria va fi rupta.

Teoria de baza pentru particulele elementare descrie trei principii diferite de simetrie: simetria oglinzii, simetria de sarcina and simetria timpului(in limbajul fizicii, simetria oglinzii este numita P, de la paritate, C vine de la simetria de sarcina(charge, in limba engleza), si T de la simetria timpului).

Simetria oglinzii. E rupta in imaginea din stanga si pastrata in imaginea din dreapta, unde este imposibil sa decizi daca esti in propria lume sau in lumea oglinzii.

In simetria oglinzii, toate evenimentele ar trebui sa apara in exact acelasi mod chiar daca sunt vazute in mod direct sau in oglinda. N-ar trebui sa fie nici o diferenta intre stanga si dreapta si nimeni nu ar trebui sa fie in stare sa decida daca sunt in propria lume sau in lumea geamului de sticla. Simetria de sarcina declara ca particulele ar trebui sa se comporte exact la fel ca alter-ego-urile lor, antiparticulele, care au exact aceleasi proprietati dar intr-o sarcina opusa. Si conform simetriei timpului, evenimentele fizice la un micro-nivel ar trebui sa fie egal independente chiar daca au loc in inainte sau inapoi in timp.

Simetriile nu au doar o valoare estetica in fizica. Ele simplifica multe calcule ciudate si astfel joaca un rol decisiv pentru descrierea matematica a micro-lumii. Un fapt chiar mai important este acela ca aceste simetrii implica un numar mare de legi de conservare la nivelul particulelor. De exemplu, daca exista o lege conform careia energia nu poate fi pierduta in coliziunile dintre particulele elementare, trebuie sa ramana la fel inainte si dupa coliziuni, lucru care este evident in ecuatiile simetriilor care descriu coliziunile particulelor. Sau exista o lege a conservarii sarcinilor electrice care este legata de simetrie in teorie electormagnetica.

Conturul care apare si mai clar

A fost in jurul mijlocului secolului 20 atunci cand simetria rupta a aparut pentru prima oara in studiile principiilor particulelor de materie. La acea vreme fizica se straduia profund sa isi atinga cel mai mare vis - sa uneasca toate etajele celor mai mici blocuri ale naturii si toate fortele intr-o teorie unificata. Dar pentru inceput, fizica particulelor a devenit tot mai complicata. Noi acceleratoare construite dupa al doilea razboi mondial au produs un val constant de particule care nu au mai fost vazute pana atunci. Majoritatea nu s-au incadrat in modelele pe care fizicienii le-au avut la acea vreme, acea materie fiind constituita din atomi cu neutroni si protoni in nucleu si electroni in jurul lor. Investigatii mai adanci in cele mai adanci regiuni ale materiei au dezvaluit faptul ca protonii si neutronii fiecare ascundeau un trio de cuarci. Particulele descoperite deja se constituiau de asemenea din cuarci.

Structura materiei. Molecula. Atom. Nucleul atomului. Proton/Neutron. Cuarc.

Modelul Standard de azi. Unifica toate etajele cladirilor fundamentale ale materiei si trei din cele patru forte fundamentale. In timp ce toata materia cunoscuta e construita cu particule din prima familie, celalte particule exista dar pentru perioade foarte mici de timp. Pentru a completa Modelul o noua particula este necesara- particula Higgs - pe care comunitatea de fizicieni spera sa o gaseasca cu ajutorul noului accelerator de particule LHC construit de CERN la Geneva.

In momentul de fata, aproape toate piesele de puzzle au picat la locul lor; un Model Standard pentru pentru partile indivizibile ale materiei cuprinde trei familii de particule(vezi diagrama). Aceste familii seamana intre ele, dar doar particulele din prima si cea mai usoara familie sunt suficient de stabile pentru a alcatui cosmosul. Particulele din cele doua familii mai grele traiesc sub conditii foarte instabile si decad imediat in particule mai usoare.

Totul in natura este controlat de forte. Modelul Standard, cel putin pentru timpul actual, include trei din cele patru forte fundamentale ale naturii cat si mesagerii lor, particule care duc la interactiunile dintre particulele elementare(vezi diagrama). Mesagerul fortei electromagnetice este fotonul cu masa zero; forta slaba care este datoare pentru dezintegrarea radioactiva si cauzeaza soarele si stelele sa straluceasca e transmisa de particulele masive bozonii W si Z in timp ce forta tare este transmisa de particulele gluon care fac ca compentele nucleului sa stea impreuna si sa formeze nucleul. Gravitatia, a patra forta, care se asigura ca ne pastram picioarele pe pamant, nu a fost incorporata inca in model si impune o provocare colosala pentru fiziicienii de azi.

Oglinda e zdruncinata

Modelul Standard e o sinteza a patrunderilor in cele mai tainuite parti de materie pe care fizica le-a adunat in timpul ultimului secol. Se bazeaza cu fermitate pe o baza teoretica consistand din principiile simetriei fiziicii cuantice si teoria relativitatii si a rezistat la nenumarate teste. Dar inainte ca conturul sa fie chiar clar, un numar de crize au aparut care au amenintat aceasta constructie bine balansata. Aceste crize legate de faptul ca fizicienii au presupus ca legile simetriei s-au aplicat lumii Liliputane a particulelor elementare. Dar dupa cum s-a vazut ulterior, aceasta nu era chiar adevarata.
 
Prima surpriza a aparut in 1956 cand doi teoreticieni Americano-Chinezi, Tsung Dao Lee si Chen Ning Yang(decernati cu premiul Nobel urmatorul an in 1957) au contestat simetria oglinzii(simetria P) in forta slaba. Acea natura a respectat simetria oglinzii, simetria privind stanga si dreapta, era considerata, la fel ca alte principii de simetrie, un fapt bine stabilit.

Trebuie sa reevaluam vechile principii din lumea cuantica, unde particulele elementare exista, au afirmat Lee si Yang. Ei au propus o serie de experimente pentru a testa acesta simetrie a oglinzii. Desigur, dupa doar cateva luni dezintegarea nucleului atomului din elementul radioactiv cobalt 60 a dezvaluit ca nu urmarea principiile simetriei oglinzii. Simetria era rupta cand electronii care au parasit nucleul cobaltului au preferat o directie in detrimentul alteia. Era ca si cand ai fi stat in fata statiei centrale din Stockholm si ai fi vazut majoritatea oamenilor luand-o la stanga spre iesirea din statie.

Asimetria inerenta ne determina soarta

Bine bine, sarcinile oglinzii si de sarcina sunt rupte separat; dar pentru amandoua, asa zisa simetrie CP, cu siguranta ele nu sunt rupte in acelasi timp. Comunitatea de fizicienii s-a consolat cu ideea ca aceasta simetrie nu este rupta. Legile naturii, au crezut ei, nu s-ar putea schimba daca ai fi pasit pasit in lumea oglinzii unde toata materia a fost inlocuita cu antimaterie.

Acest lucru inseamna de asemenea ca daca ai intalni o fiinta extraterestra, nu ar trebui sa fie nici o cale de a decide daca extraterestrul vine de pe lumea noastra sau din antilume. O imbratisare de bun venit ar putea avea consecinte dezastruoase. Doar un pufait de energie ar ramane atunci cand materia si antimateria s-au anihilat la primul contact.

Astfel, forta slaba a venit iarasi in lumina reflectoarelor in 1964. O noua violare a simetriilor naturii a fost observata la dezintegrarea radioactiva a unei particule ce continea un cuarc strange, particula denumita kaon. Pentru aceasta descoperire, James Cronin si Val Fitch au primit Premiul Nobel pentru Fizica in 1980. O mica parte din acesti kaoni nu urmaru simetriile de oglinda si simetriile de sarcina, ci violau simetria CP, punand astfel sub semnul intrebarii intreaga structura a teoriei.

Gandindu-ne la a intalni fiinte extraterestre, aceasta descoperire ofera o salvare. Ar putea fi destul sa intrebi un extraterestru inainte sa te imbratiseze: S-a uitat atent la el acasa la un kaon dezintegrandu-se si din dezintegrarea lui, a vazut ca este format din materie ca si noi, sau este format din antimaterie?

O imbratisare? Astepta pana simetria este clarificata intai! Daca extraterestul este facut din antimaterie, o imbratisare ar rezulta in amandoi disparand intr-un puf de energie.

Prima persoana sa arate importanta decisiva a simetriei rupte pentru geneza cosmosului este fizicianul rus si Laureatul la Premiul Nobel pentru Pace Andrei Sakharov. In 1967, a realizat trei conditii pentru crearea unei lumi ca a noastre, goala de antimaterie. In primul rand, legile fizicii se disting intre materie si antimaterie, lucru descoperit cu simetria CP; In al doile rand, cosmosul isi are originea in caldura rezultata in urma Big Bang-ului. A treia conditie ar putea duce la sfarsitul lumii, de vreme ce implica ca toata materia ar putea pana la urma sa dispara. Dar pana acum acest lucru nu s-a intamplat; si experimentele au aratat ca protonii raman stabili pentru 10³³ ani, un confortabil timp de 10 milarde de ori mai mare decat varsta universului, care este un pic mai mare decat 10¹⁰ ani. Si inca nu este nimeni care sa stie cum lantul de intamplari al lui Sakharov a avut loc la inceputul universului.

Rezolvand misterul simetriei rupte

Conditiile lui Sakharov ar putea la fel de bine sa fie incorporate in cele din urma in Modelul Standard al fizicii. Atunci surplusul de materie creat la nasterea universului va fi explicat. Acest lucru, totusi, necesita o violare mult mai mare a simetriei decat dubla simetrie rupta, pe care Fitch si Cronin au gasit-o in experimentul lor.

Totusi, chiar o simetrie rupta considerabil mai mica decat cea de care kaonii erau vinovati, avea nevoie de o interpretare; altfel intregul Model Standard ar fi fost amenintat. Intrebarea referitoare la motivul ruperii simetriilor a ramas un mister pana in 1972, cand doi tineri cercetatori de la Universitatea din Kyoto, Makoto Kobayashi si Toshihide Maskawa, care erau foarte bine acquainted cu calculele de fizica cuantica, au gasit solutia intr-o matrice 3 x 3.

Cum are loc aceasta dubla simetrie? Fiecare particula kaon consista din combinatia dintre un cuarc si un anticuarc. Forta slaba ii face sa schimbe identitatile din timp in timp: cuarcul devine un anticuarc in timp cu anticuarcul devine un cuarc, astfel transformand kaonul in antikaonul sau. In acest fel particula kaon flips between self and antiself. Dar daca conditiile necesare sunt inalnite, simetria dintre materie si antimaterie vor fi rupte. Calculele de matrice ale lui Kobayashi si Maskawa contin probabilitati pentru a descrie cum transformarea cuarcilor va avea loc.

Fizica cuantica este in spatele acestui act bizar de transformare. Un kaon se poate schimba intre el si anti-eul sau – de la kaon la anti-kaon si inapoi din nou. Toate familiile de cuarci cunoscute azi trebuie sa contribuie la proces unde in putine cazuri simetria va fi rupta. Explicatia a cum se intampla acest lucru a oferit lui Koboyashi si Maskawa premiul Nobel de anul acesta in Fizica.

Dupa cum s-a descoperit ulterior, cuarcii si anticuarcii schimbau indentitatea intre ei in cadrul propriei familii. Daca acest schimb de identitate avea sa aibe loc intre materie si antimaterie, inca o familie de cuarci era necesara in adaugarea celorlalte doua. Acesta a fost un concept indraznet, iar Modelul Standard a primit acesti cuarci speculativi, care au aparut dupa cum s-a prezis in experimentele ce au urmat. Cuarcul charm a fost descoperit in 1974, cuarcul bottom in 1977 si ultimul, cuarcul top, in 1994.

Fabricile de mezoni ofera raspunsul

Se poate la fel de bine ca explicatia simetrie CP rupte sa ofere de asemenea un motiv raison d’etre pentru cea de-a doua si a treia familie de particule. Acestea seamana cu prima familie in multe aspecte, dar au o viata atat de scurta incat nu pot forma nimic care sa dureze in lumea noastra. O posibilitate este aceea ca aceste particule capricioase si-au indeplinit cea mai importanta functie la inceputul timpului cand prezenta lor a garantat simetria rupta care a facut materia sa castige impotriva antimateriei. Cum natura a rezolvat aceasta probleme este, dupa cum am mentionat mai devreme, ceva ce inca nu cunoastem in detaliu. Simetria rupta trebuie reprodusa de multe, multe ori sa creeze toata materia care ne ofera cerul presarat de stele.

Teoria lui Kobayashi si Maskawa a indicat de asemenea ca am putea sa studiem o violare majora de simetrie in particulele mezoni B, care sunt de zece ori mai grei decat verii lor kaonii. Totusi, simetria rupta apare extrem de rar in mezonii B, asa ca imense cantitati de aceste particule sunt necesare pentru a gasi doar putine care rup simetria. Doua constructii gigantice gazduind detectoarele de particule BaBar de la acceleratorul de particule SLAC din Standford, California si detectoarele de particule Belle de la acceleratorul KEK in Tsukuba, Japonia au produs mai mult de un milion de mezoni B pe zi pentru a le urmari dezintegrarea in detaliu. Mai devreme de 2001, amandoua experimente independente au confirmat violarea de simetrie a mezonilor B, exact cum modelul lui Kobayashi si Maskawa a prezis cu aproape 30 de ani mai devreme.

Acest lucru a insemnat completarea Modelului Standard, care a functionat bine pentru multi ani. Aproape toate piesele de puzzle au cazut in locul lor in conformitate cu cele mai indraznete previzuni. Cu toate acestea, fizicienii nu sunt inca multumiti

Simetria zace ascunsa sub violari spontane

Dupa cum a fost expicat deja, Modelul Standard comprima toate particulele elementare cunoscute si trei din cele patru forte fundamentale. Dar de ce sunt atat de diferite aceste forte? Si de au particulele mase atat de diferite? Cel mai greu, cuarcul top, e mai mult de trei sute de mii de ori mai greu decat electronul. De ce au masa pana la urma? Forta slaba iese iarasi in evidenta: particulele sale mesagere, W si Z, sunt mult mai grele, in timp ce aliatul ei, fotonul, care transporta forta electromagnetica, este lipsit de masa.

Majoritatea fizicienilor cred ca alta simetrie rupta spontana numita mecanismul Higgs, a distrus simetria originala dintre forte si a dat particulelor masa in stadiile cele mai de devreme ale universului.

Drumul spre aceasta descoperire a fost realizata de Yoichiro Nambu cand, in 1960, a fost primul sa introduca violarea simetriei spontane in fizica particulelor elementare. Pentru aceasta descoperire ii este acum acordat Premiul Nobel in Fizica. Pentru inceput, Nambu a lucrat la calculele teoretice in cadrul altui fenomen remarcabil in fizica, superconductivitatea, atunci cand curentii electrici curg fara nici o rezistenta. Violarea simetriei spontane care a descris superconductivitatea a fost mai tarziu transcrisa de Nambu in lumea particulelor elementare, iar uneltele sale matematice acum sunt parte componenta din toate teoriile legate de Modelul Standard.

Putem asista la violari de simetrie spontane mult mai banale in viata de zi cu zi. Un creion care sta pe varful sau conduce o existenta complet simetrica in care toate directiile sunt egale. Dar aceasta simetrie este pierduta cand cade – acum o singura directie conteaza. Pe de alta parte, conditia sa a devenit mai stabila, creionul nu mai poate cadea, a ajuns la nivelul cel mai mic de energie.

Simetrie spontana rupta. Lumea acestui creion este complet simetrica. Toate directiile sunt egale. Dar aceasta simetrie este pierduta cand creionul cade. Acum o singura directie tine. Simetria care a existat inainte este ascunsa in spatele creionul cazut.

Un vid are cel mai mic nivel de energie posibil din cosmos. In fapt, un vid in fizica este precis o stare cu cea mai mica energie posibila. Dar nu este gol prin toate mijloacele. De la aparitita fizicii cuantice, un vid este definit ca plin de o supa efervescenta de particule care apar, doar pentru a disparea imediat in campurile cuantice invizibile, dar prezente peste tot. Suntem inconjurati de multe campuri cuantice diferite de-a lungul spatiului; cele patru forte fundamentale sunt de asemenea descrise ca si campuri. Unul din ele, campul gravitational, este cunoscut tuturor. Este cel care ne tine pe pamant si care determina ce e sus si ce e jos.

Nambu a realizat devreme ca proprietatile unui vid sunt de interes pentru studiul simetriilor spontane rupte. Un vid, care este, cel mai mic nivel de energie, nu corespunde la majoritatea starilor simetrice. Cat despre creionul cazut, simetria campului cuantic a fost rupta si doar una din multe directii posibile ale campului a fost aleasa. In deceniile recente, metodele lui Nambu de a trata violarea simetriei spontane in Modelul Standard au fost redefinite; sunt folosite frecvent azi pentru a calcula efectele fortei puternice.

Mecanismul Higgs confera masa materiei

Intrebarea referitoare la masa particulelor elementare a fost de asemenea raspunsa de simetriile spontane rupte ale campului ipotetic Higgs. Se crede ca la Bing Bang campul era perfect simetric si toate particulele aveau masa zero. Dar campul Higgs, la fel ca si creionul care sta pe varful sau, nu era stabil, asa ca atunci cand Universul s-a racit, campul a scazut la cel mai mic nivel de energie al sau, propriul sau vid conform fizicii cuantice. Simetria sa a disparut iar campul Higgs a devenit un fel de sirop pentru particulele elementare; au absorbit diferite cantitati din camp si au capatat mase diferite. Unele, ca si fotonii, nu au fost atrase si au ramas fara masa; dar de ce electronii au capatat masa este cu totul alta intrebare la care nimeni nu a raspuns inca.

La fel ca alte campuri cuantice, campul Higgs are propriul sau reprezentant, particula Higgs. Fizicienii sunt nerabdatori sa gaseasca aceasta particula in curand in cel mai mare accelerator de particule din lume, noul LHC de la CERN in Geneva. Este posibil ca multe particule Higgs diferite sa fie detectate – sau niciuna. Fizicienii sunt pregatiti, o asa numita teorie supersimetrica fiind favorita printre multi pentru a extinde Modelul Standard. Exista si alte teorii, unele mai exotice, altele mai putin exotice. In orice caz, sunt toate probabile sa fie simetrice, chiar daca simetria nu va fi evidenta la inceput. Dar este acolo, mentinandu-se ascunsa in dupa aparenta haotica.

Aceasta este traducerea articolului original care se află la NobelPrize, tradus cu permisiune scrisă pentru www.StiintaAzi.ro de Nicolae Mihai, elev la Liceul "Grigore Moisil", Timişoara.