Despre modelul standard al particulelor și metoda cercetării

„O criză în fizică! Modelul standard este greșit!”, sugerează câteva titluri din presă, în urma anunțului că Large Hadron Collider a măsurat o violare a predicțiilor modelului standard al particulelor elementare. De fapt, noile rezultate nu sunt pe deplin surprinzătoare. Ele întăresc măsurători mai vechi: modelul standard al particulelor elementare trebuie extins, eventual cu o nouă forță fundamentală. Atenție, nu este vorba că modelul actual să fie greșit, ci ca el să fie îmbunătățit.

Povestea este următoarea. Modelul standard al particulelor elementare este în mod sigur doar o imagine parțială (trunchiată) a realității particulelor elementare. În esență, el este descris de o ECUAȚIE enormă (are nevoie de o pagină să încapă!) care descrie aproape toate interacțiunile particulelor elementare cunoscute (din aceste interacțiuni se nasc protonii, atomii, moleculele, și noi, dacă vreți). Nu toți termenii în ecuație sunt cunoscuți experimental și (mai ales) nu înțelegem de ce mulți termeni au valorile pe care le au. Ne-am dori să pornim de la niște principii axiomatice fundamentale, așa cum a făcut Einstein (și cum vor filozofii) și de acolo să ne iasă toți termenii ecuațiilor (masa electronului, sarcina quarcilor, tăria interacțiunilor etc.). Cum există lucruri încă nepotrivite în acest model standard (masa de repaus nenulă a neutrinilor, de exemplu) și cum există coincidențe neexplicate (sarcina electronului este egală cu cea a protonului, de exemplu), TOȚI, dar absolut toți fizicienii cred că acest model standard trebuie completat cu termeni noi în ecuație și anumiți termeni trebuie determinați mai bine. De fapt, ei își construiesc experimentele special cu acest scop! O astfel de coincidență în modelul standard actual este „universalitatea leptonilor”. Simetria asta spune că, în esență, interacțiunea nucleară slabă nu are vreo preferință pentru o anumită generație de leptoni (sunt trei generații, electroni, miuoni și tauoni, masa lor crescând de la electron la tauon). Citez din articolul apărut recent https://arxiv.org/abs/2103.11769 : „această simetrie accidentală nu este o consecință a unei axiome, ca atare ar putea fi violată”. Simplu spus, în experiment am putea obține o violare a acestei simetrii și asta ar implica automat că modelul standard trebuie extins (așa cum ne așteptam). Ne-ar arăta și direcția în care să îl extindem.

Datorită acestei simetrii, modelul standard prezice (de exemplu) că un antiquarc bottom („jos” în engleză) se dezintegrează într-un antiquarc strange („ciudat” în engleză) prin intermediul forței nucleare slabe, iar printre rezultatele dezintegrării vom găsi fie un electron și un pozitron (antiparticula electronului), fie un mioun și un antimiuon, fie un tauon și un antitauon. Trei posibilități deci, toate trei cu o probabilitate aproape egală de dezintegrare, pentru că forța nucleară slabă nu are vreo preferință pentru vreuna din generațiile de leptoni (spun „aproape” pentru că e o mică diferență în experiment dată de masa lor, dar e mică și se poate compensa).

Bun…. Asta zice modelul de acum. Și, cum am spus, ne așteptăm ca această „universalitate a leptonilor” (electron, miuon, tauon) să poată fi în realitate violată, pentru că nu are nicio bază axiomatică. De aceea, cercetătorii de la Large Hadron Collider s-au pregătit din timp pentru un astfel de experiment (detaliez și eu asta în cartea „Fizica Povestită”). Au zis, hai să ne uităm la produsele de reacție ale ciocnirilor proton-proton de la LHC. Într-unele dintre ele găsim mezoni B+ (particule formate dintr-un quarc și un antiquarc bottom). Acestea se vor dezintegra, pentru că se dezintegrează antiquarcul botton (vezi mai sus). Hai să măsurăm precis produsele dezintegrării mezonului B+ (care are viață scurtă) și să vedem în ce se dezintegrează mai mult? Într-un electron, pozitron și alte particule (prima generație) sau într-un tauon, antitauon și alte particule (a doua generație de leptoni)?

Așa că au făcut experimentul și, supriză (de acum câțiva ani de când au apărut primele rezultate) se pare că un canal de dezintegrare (cel cu electroni) este cu 25% mai probabil decât cel de-al doilea (cu tauoni). Rezultatele care au apărut recent întăresc această concluzie, doar că au o probabilitate de a greși încă mare (unu la o mie), de aceea trebuie să așteptăm încă câțiva ani, să se facă noi experimente și să se analizeze mai bine, pentru ca probabilitatea de a greși să scadă sub 1 la 3.5 milioane (cerinta oficială în fizica particulelor elementare). Este interesant că această aparentă violare a universalității se manifestă atunci când un quarc se dezintegrează într-un mezon și nu neapărat când un boson W real se dezintegrează.

Să zicem însă că rezultatul experimental rămâne. Se destramă modelul standard al particulelor elementare? Nici vorbă! El va fi îmbunătățit, completat, cu noi termeni pentru a descrie mai bine realitatea. Practic, modelul primește un reglaj mai fin. Ce sunt acei noi termeni? Unii spun că ei vor descrie o nouă particulă fundamentală a naturii: un boson pe numele lui lepto-quarc (pentru că interacționează atât cu leptonii cât și cu quarcii). Și, cum orice boson este un purtător al unei forțe, ar fi vorba de o forță fundamentală nouă, în plus față de cele cunoscute.

Citeste intreg articolul si comenteaza pe Contributors.ro