Nobel pentru particule elementare. Fascinatia simetriei

Premiul Nobel pentru fizica a recompensat anul acesta cercetari din domeniul fizicii particulelor. Premiatii sunt printre autorii importanti in construirea unora dintre teoriile “tari” ale momentului, Modelul Standard al particulelor elementare şi teoria superstringurilor. De fapt, premiul a fost impartit in doua. O jumatate este pentru unul dintre cei mai citati fizicieni ai momentului, Yoichiro Nambu, unul dintre parintii teoriei superstringurilor. Cealalta jumatate se imparte intre Makoto Kobayasi şi Toshihide Maskawa, doi cercetatori care au avut contributii importante la teoria particulelor elementare cunoscuta sub numele de Modelul Standard.

Dincolo de aceste generalitati, insa, motivatia juriului Nobel este destul de obscura. A fost premiata descoperirea « ruperii de simetrie », respectiv introducerea in modelul standard a trei noi cuarci. Despre ce este vorba ?

Ambele descoperiri recompensate cu premiul Nobel anul acesta au in comun explorarea unora dintre cele mai misterioase trasaturi ale universului, simetria. O proprietate care a fascinat intotdeauna artişti, fizicieni, filozofi sau muzicieni.

Ruperea simetriei

Simetriile şi antisimetriile fac parte din experienta noastra cotidiana. Un fulg de zapada nu se modifica daca-l privim in oglinda, o manuşa oglindita este foarte diferita de manuşa originala (o manuşa pentru mâna dreapta devine, in oglinda, o manuşa pentru mâna stânga).

Spunem despre litera A ca este invarianta la oglindire, adica are o simetrie la oglindire, pe când litera Z nu este invarianta la acest tip de simetrie. Pe de alta parte, litera Z arata la fel daca o intoarcem cu susul in jos, pe când litera A se modifica.

Ruperea de simetrie: Si ce daca?

Esher si simetria Foto: Hotnews

Suntem produse directe ale “ruperii de simetrie” care a avut loc cu miliarde de ani in urma, imediat dupa Big-Bang. Aparitia materiei a fost un eveniment asimetric: dintr-un motiv pe care nu-l ştim inca, in univers a aparut mai multa materie decât anti-materie. Aceasta asimetrie initiala a fost la originea universului, aşa cum il ştim astazi.

Teoria particulelor elementare descrie trei tipuri de simetrie : simetrie la oglindire, simetrie de sarcina şi simetrie in raport cu timpul. In limbajul fizicii, prima este o simetrie de tip P (parity), a doua este o simetrie de tip C (charge) iar a treia o simetrie de tip T (time). Simetria P ne spune ca obiectele şi reflexiile lor in oglinda se comporta exact la fel ; simetria de tip C presupune ca particulele şi anti-particulele lor sa se comporte exact la fel in interiorul ecuatiilor, pe când simetria T inseamna ca evenimentele din lumea particulelor elementare sunt invariante la faptul ca se petrec in trecut sau in viitor.

De ce sunt importante simetriile in fizica ? Pe de-o parte, este vorba despre valoarea lor estetica. Fizicienii sau filosofii cred inca ca o teorie are bune şanse sa fie adevarata daca este simpla şi « frumoasa », adica daca explica elegant fenomenele cu un numar minim de legi. Simetria este o proprietate pe care o cauta orice fizician, ca semn posibil al faptului ca teoria imaginata ar putea fi reala (daca rezista testelor experimentale). Aceasta nu este insa totul : simetriile inseamna, pentru fizicieni, simplificari considerabile ale calculelor. Mai mult, simetriile sunt echivalente, in fizica, cu prezenta unor legi de conservare. De exemplu, legea de conservare a energiei in ciocniri este echivalenta cu a spune ca ecuatiile ciocnirii sunt simetrice.

Simetriile şi asimetriile sunt esentiale in descrierea lumii subatomice, unde descoperirea unor noi şi noi particule elementare a speriat, la inceput, comunitatea ştiintifica : noile acceleratoare construite dupa razboi au descoperit ca particulele « elementare » , proton, neutron, electron, sunt la rândul lor facute din altceva, un ingredient care a primit numele de cuarci (de la un alt laureat Nobel, Murray Gell Man).

De ce are loc ruperea de simetrie ?

Problema « ruperii de simetrie » a inceput in domeniul fizicii solidului, cu o serie de fizicieni care cautau solutia fenomenului numit super-conductivitate. Ruperea spontana de simetrie este considerata, in fizica particulelor, un fenomen generator de ordine. Imaginati-va o tranzitie de faza: de pilda trecerea apei din stare lichida in stare solida.

O picatura de apa este invarianta la rotatie. Un fulg de zapada, nu mai este. De cele mai multe ori, o tranzitie de faza corespunde cu o rupere a simetriei. In general, la energii mici, un sistem ajunge sa aiba o « stare preferata », in care simetria nu mai exista.

Ce a facut Nambu a fost sa mute aceasta problema din domeniul fizicii solidului in domeniul fizicii particulelor. A inceput cu o presupozitie revolutionara : dar daca ruperea spontana de simetrie exista şi in teoria cuantica a campului, cea care descrie comportamentul particulelor elementare ? Am putea descrie o stare similara cu starea de energie minima atunci când vorbim de particule elementare ? O «stare de vid » (vacuum state) ? Pornind de la aceasta presupozitie, Nambu a construit, prin analogie cu fizica solidului, un model al ruperii spontane de simetrie in fizica particulelor.

Lucian Ancu este doctorand in fizica particulelor la Radboud University, Nijmegen: „Nambu a facut pasul curajos de a adapta aceasta teorie a ruperii spontane a simetriei din fizica solidului in fizica particulelor elementare. Apoi, aceasta idee a fost incorporata in modelul standard al particulelor elementare. Kobayashi şi Maskawa au fost cei care, pornind de la un model mai vechi propus de Cabibbo pentru ruperea simetriei CP (charge-parity) au aratat ca aceasta rupere de simetrie poate fi introdusa natural prin extinderea numarului de cuarci de la 3, câti erau cunoscuti la momentul acela, la 6.”

De ce este insa importanta aceasta descoperire pentru fizicieni ? Teoria lui Nambu a reuşit un mare pas inainte in domeniul fizicii particulelor. Iar mecanismul propus de Kobayashi şi Maskawa raspunde, printre altele, la faimoasa intrebare « de ce exista in univers mai multa materie decat antimaterie ? »