Modelul Standard al particuleleor elementare

Am avut onoarea să asist miercuri 8 Ianuarie la o conferință în Marea Britanie a unuia din cei șase teoreticieni care acum jumătate de secol au prezis existența a încă un ingredient fundamental și a încă o interacție elementară a Universului. Este vorba despre câmpul Higgs și particula aferentă lui, boosonul Higgs. Și este vorba despre fizicianul Tom Kibble, de la Imperial College London, Marea Britanie. Pe baza datelor aflate, încerc să redau pentru publicul român pe scurt istoria dezvoltării teoretice a ceea ce numim acum Modelul Standard al particulelor elementare și interacțiilor între ele, adăugând și alte câteva informații ale mele pentru context.

În anii celui de-al Doilea Război Mondial, fizicienii din Statele Unite și Marea Britanie au lucrat exclusiv în cercetare aplicată pentru război, precum bomba nucleară și radar. După război însă au revenit treptat la cercetarea fundamentală, cea care studiază Natura de dragul curiozității, fără a căuta neaparat o aplicație practică imediata.

Ce se cunoștea atunci era că existau patru forțe de bază ale Naturii, din combinațtia cărăra sunt create celelalte forțe pe care le vedem în viața de zi cu zi: forța gravitațională, forța electromagnetică, forța tare și forța slabă. Existau de asemenea două modele matematice puternice care descriau natura în sfera lor de aplicabilitate, dar care se contraziceau reciproc. Prima era teoria relativității, dezvoltată de un singur om, Albert Einstein, care descria mișcarea particulelor la viteze foarte mari, apropiate de viteza luminii în vid. Aceasta cuprindea de fapt două teorii. Teoria relativității restrânse din 1905 descria mișcarea particulelor în vid, iar teoria relativității generale din 1915 descria mișcarea particulelor într-un câmp gravitațional. A doua era teoria cuantică, dezvoltată în 1925 de mai mulți oameni, precum Edwin? Schrodinger și ? Heisenberg, descria formarea atomului de hidrogen prin mișcarea unui electron în jurul unui proton și se arăta esențială pentru a descrie orice era mai mic ca un atom. În anul 1919 fusese descoperit protonul, iar in anul 1932 neutronul, ducând la o vedere de astăzi a atomului. Se știa că forța electromagnetică este responsabilă de formarea moleculelor (atracția dintre atomi într-o moleculă) și de formarea atomilor (atracția dintre electroni și nucleu într-un atom). O teorie clasică (adică necuantică) a electromagnetismului exista încă de la 1865, când James Maxwell a arătat ca electricitatea, magnetismul și lumina sunt aspecte diferite ale aceluiași fenomen. Dar o teorie cuantică a electromagnetismului nu exista încă. A treia forță era forța tare, o forță de atracție între protoni și neutroni. Fără ea, nucleele nu ar putea exista, căci dacă ar exista doar forța electromagnetică, protonii s-ar respinge între ei. Nu exista nicio teorie a forței tari, nici necuantică, nici cuantică. A patra forță este forța slabă, responsabilă de transformarea unui atom în alt tip de atom, precum în dezintegrarea radioactivă care permite creearea de centrale nucleare, a bombei atomice, sau a căldurii din interiorul Pământului. O teorie a forței slabe exista încă din 1931, când fizicianul italian Enrico Fermi a propus existența a încă o particulă elementară, neutrino, care este emisă în dezintegrările radioactive.

Fiind acum un pic familiari cu situația studierii structurii fundamentale a Universului imediat după război, putem continua cu istorisirea lui Tom Kibble. Aceasta începe în 1947, atunci când a fost creată o teorie cuantică și relativistă în același timp a electromagnetismului, denumita teoria electrodinamicii cuantice, sau în engleză pe scurt QED. Feynman, Schwinger, Tomonaga, Dyson și Salam au arătat în 1947 că teoria QED este renormalizabilă, adică că atunci când calculăm o mărime fizică, deși însumăm un număr infinit de termeni, fiecare termn este tot și tot mai mic, astfel încât valoarea finală este un număr finit. Fizica lucrează cu numere finite, dar la început teoria QED prezicea numere infite. Renormabilitatea înseamnă așadar scoaterea infiniturilor din teorie. De acum teoria făcea prezicii numerice verificabile. De atunci ea a fost verificată cu o precizie de 12 zecimale, o performanță incredibilă dacă ne gândim că este vorba de particule subatomice.

Motivați de acest succes, fizicienii am încercat să găsească o altă teorie a cuantică a câmpului (câci QED este o teorie cuantică a câmpului) care să descrie forța tare și să explice de ce nucleul există. Numai că în cazul forței tari, în infinitul șir de numere ce trebuie adunate, ele nu deveneau ca în cazul forței QED din ce in ce mai mice, permițând teoriei să dea un număr finit. Astfel, infinitul a rămas în teoria tare și teoria nu era renormalizabilă.

Majoritatea fizicienilor au abandonat atunci speranța de a găsi o teorie renormalizabilă a câmpului cuantic pentru forța tare, încercând moduri alternative, precum teoria matricilor S. Dar în câteva locuri din lume au rămas câteva redute în speranța că va putea fi găsită o astfel de teorie. Povestea noastră este despre o astfel de redută, anume Universitatea Imperial College London (ICL), din Marea Britanie. Omul din spatele ei este marele fizician teoretican de origine pakistaneza? Abdus Salam, care la doar 33 de ani a devenit cel mai tânăr mebru al Societății Regale (britanice de știință). El s-a instalat la ICL în 1957 și a început să își creeze un grup de cercetare, cu studenți și postdoctoranzi. Astfel, în 1959 s-a alăturat grupului lui Salam Tom Kibble, povestitorul din seara aceasta.

QED este o teorie de etalonare (gauge theory), adică are o simetrie globală care devine locală. Aceste principiu explică de ce există câmpul electromagnetic și afirmă în plus că particulare care transmite forța electromagnetică, adică fotonul, are masă de repaus zero. Putea fi aplicat acest principiu și pentru alte forțe? Putea fi găsită o teorie unificată a tuturor forțelor? Salam era convins că o astfel de teorie există și este o teorie cuantică a câmpului, bazată pe principiul de etalonare.

Prima teorie de etalonare în afară de QED a fost dezvoltată de Yang-Mills în 1952 pentru a descrie forța slabă, folosind etalonul SU2. Un lucru mai puțin cunoscut în istorie este că aceeași teorie a fost scrisă și de unul din studenții lui Salam, Ronald Show, pe când era la Cambridge, dar a publicat-o numai ca și teză de doctorat, nu ca și articol, iar după doctorat a părăsit fizica.

Tom Kibble a început să se implice în acest domeniu în 1961 când a încercat (a și arătat?) că și gravitația poate fi descrisă de o teorie cuantică de etalonare (nu am auzit încă să se fi reușit așa ceva).

Pentru a explica masa particulelor elementare, s-a ajuns la concluzia că trebuia să aibă loc o rupere spontană de simetrie pentru teoriile cuantice de etalonare în fizica particulelor. Acest principiu era cunoscută deja încă din 1960 datorită lui Nambu, dar din alt domeniu, cel al materialelor. Astfel, în supraconductivitate acest principiu dădea masă unei pseudo-particule denumite plasmon.El a sugerat că un astfel de principiu ar putea avea loc și pentru a descrie masa particulelor elementare. 

În 1961 Nambu și Jona-Lasinio au făcut o încercare pentru forța tare, sugerând că particula care mediază forța tare, pionul, ar trebui să aibă masă zero. Numai că experimental se știa că pionul are masă. Teoria nu era așadar corectă. Văzând că erau dificultăți mari în a dezvolta a teorie pentru forța tare, teoreticienii lumii au trecut atunci la încercarea de a explica forța slabă.

Ce le-a atras atenția au fost similitudinile și totodată difernțele între forța electromagnetică, care avea deja o teorie foarte solidă, QED, și forța slabă. Forța electromagnetică se putea propaga pe distanță foarte mare, chiar infinită (dovadă că lumina ajunge până la noi de la stelele de la marginea Universului!), pe când forța slabă doar pe distanța lungimii a câțiva protoni (fiind de aceea doar o forță nucleară!). Forța electromagnetică este propagată de o particulă cu masa zero (fotonul), dar forța slabă pare a fi propagată de o particulă, atunci necunoscută, care ar avea masă mare. Forța electromagnetică respectă simetria de partitate, pe când forța tare o violează.

S-a pus astfel problema că poate aceste două forțe pot fi descrise de o teorie unică, adică cele două forțe ar putea avea o simetrie între ele. Simetria nu este însă perfectă, cum se vede de mai sus, ceea ce sugerează că la începutul Universului această simetrie exista, dar ea s-a rupt ulterior, spontan, generând diferențele între cele două forțe. Este un caz similar de cum forța electromagnetică se rupe la rândul ei în două forțe diferite, electrică și magnetică, la energiile mici din viața de zi cu zi. Fizicienii au căutat atunci să creeze o teorie unificată a forței electromagnetice și a forței tari.

În 1957, Schwinger a arătat că o astfel de teorie unificată ar putea exista combinând bosonii W+, W- și fotonii (a prezis Schwinger bosonul W atunci în 1957?). În 1961 Glashow a propus o simetrie încă și mai largă, SU(2)xU(1) pentru a rezolva problema parității, propunând astfel existența unei noi particule elementare, bosonul Z, care este neutru din punct de vedere electric. În 1964, Salam si Ward au propus o teorie similară, fără să fi știut de munca lu Glashow. Dar problema era ca aceste modele rămăneau nenormalizabile, iar masele particulelor erau puse de mână, nerezultând în mod natural din ceva mai profund. Erau fizicienii pe pista corectă?

Ei așa sperau, de vreme ce același principiu era folosit cu succes în fizica materialelor. De exemplu, atunci când moleculele de apă sunt în apă lichidă, ele sunt aranjate în toate direcțiile, neavând o direcție preferată. Dar când apa îngheață, moleculele au o structură cristalină, adică au o direcție bine precizată. Astfel, simetria apei lichide a fost ruptă. Cum atunci când apa era lichidă nu se putea prezice în ce direcție anume se va crea cristalul, spunem că simetria a fost ruptă în mod spontan. Așadar, trecerea apei lichide în stare solidă se face cu o rupere spontană de simetrie. Un alt exemplu este la formarea unor magneți permanenți. La început atomii materialului sunt ordonați în toate direcțiile, dar apoi ei aleg o direcție anume, care direcție nu poate fi prezisă încă de la început. Mai multe, superconductivitatea are de asemenea o rupere spontană de simetrie când plasmonul primește masă.

Problema în fizica particulelor stătea mai ales în teorema lui Goldstone, care zicea pe baza teoriei relativității că orice particulă cu spin zero ar trebui să abiă și masă zero. Dar cum o astfel de particulă s-ar observa imediat în experimente, oamenii de știință știau că o asemenea particulă de fapt nu există. De aici blocajul.

Soluția a fost oferită în 1964 de Tom Kibble, împreună cu doi postdoctoranzi americani, Gerald Guralnik și Richard Hagan, care au venit în vizită la Imperial College London. Ei au rezolvat problema, trecând peste teorema lui Goldstone. Fără acest element, progresele făcute de Englert si Brout împreună și de Peter Higgs seperat, tot în acelați an, nu ar fi fost complete. Doar luând împreună munca celor șase s-a ajuns la o viziune completă asupra ruperii spontane de simetrie care oferă masă particulelor elementare W+,W-,Z, care erau prezise de unificarea forței tari cu forța slabă. Interpretarea finală era ca exista un câmp scalar masiv phi și un câmp vectorial masiv B, câci bosonul Goldstone și bosonii fără masă s-au combinat pentru a crea aceste particule.

Astfel, la sfârșitul anului 1964, se știau aceste soluții la problema maselor particulelor. Dar abia peste trei ani aceste articole au atras atenție. Când cei șase fizicieni țineau prezentări despre munca lor, aceste rezultate erau privite cu suspiciune. În 1967, Kibble a scris încă un articol pe această temă, care a făcut să îl facă iarăși pe Salam interesat de acest subiect.

Tot în 1967 Weinberg a creat modelul care unifica forța electromagnetică cu forța slabă. Independent de el, Salam a creat același model tot în 1967, prezentându-l în cursurile sale de la Imperial College, dar nepublicându-l decât mai târziu. Era foarte ocupat atunci să lucreze la institutul de fizică teoretică pe care l-a fondat la Trieste, în Italia. Salam este cel care a denumit noua teorie teoria electroslabă în 1968 (un fel de prescurtare de la teoria electro-magento-slabă). Salam și Weinberg au speculat că această teorie este renormalizabilă, adică face predicții numerice concrete, nedând numere infinite, dar nu au avut o dovadă în acest sens.

Aceasta a fost demonstrată trei ani mai târiu la Utrect, în Olanda, de către t Hooft, folosind un program pe calculator foarte rapid de algebră lineară dezvoltat de profesorul său, Veltman.

În 1973, predicția numerică concretă a teoriei a fost confirmată experimental de experimentele de la CERN. Este vorba de existența unor interacții mediate de o particulă neutră din punct de vedere electric. Astfel a fost descoperită în mod indirect particula Z, prezisă de noua teorie, iar autorii ei teoreticieni ei au fost recompensații cu premiul Nobel în 1979: Glashow, Weinberg și Salam. În 1999 au fost răsplătiți cu Nobel și t Hooft și Veltman.

Mai mult, în 1984 au fost descoperite în mod experimental direct particulele W și Z, ceea ce a dus la consolidarea definitivă a acestei teoriei, denumite acum Modelul Standard. Premiul Nobel s-a dus de data aceasa la echipa U1 de la CERN care a descoperit aceste particule.

Atenția s-a focalizat atunci pe ultima particula cu adevărat nouă care nu fusese încă observată, bosonul Higgs. De notat că cuarcul top nu a fost observat experimental până în 1995 și neutrino tau până în anul 2000, dar nimeni nu se indoia de existența lor. Era doar o chestiune de timp, nu de dacă. Dar dacă există sau nu bosonul Higgs, era o chestiune serioasă, neexistând nicio dovadă în acest sens. În 1964, toată atenția era concentrată pe câmpul Higgs, iar nu pe particula Higgs. Peter Higgs a fost singurul care a menționat în mod direct că câmpul Higgs trebuie să producă și o particulă. De aceea el este cel care a devenit cel mai cunoscut începând cu 1984 când experimentatorii au început să caute asiduu particula Higgs. Dar de notat câ acel câmp Higgs trebuie denumit cu numele tuturor celor șase, deși este drept a fi numită particula doar cu numele Higgs.

Particula Higgs a fost observată experimental într-un final în 2012, ducând la oferirea de premiu Nobel pentru fizicienii care au descoperit-o. Cum premiul Nobel nu poate fi acordat decât la maxim trei persoane, toți cei șase nu puteau primi. Prioritate au avut Englert, Brout și Higgs, iar Kibble, Guralnik și Hagan nu puteau primi. Cum mai departe din păcate Brout a murit acum doi ani de zile, iar premiul Nobel se acordă doar persoanelor în viață, premiul Nobel a fost acordat doar lui Englert si Higgs.

În prezent, Modelul Standard este complet. Dar este foarte dezorganizat. Are douăzeci de constante arbitrare, puse de mână, care nu pot fi prezise teoretic, ci doar determinate experimental. Mai mult, nu există o singură teorie unificată, căci există trei grupuri matematică, fiecare cu propria sa constantă de interacțiune. Există sugestia că cele trei grupuri pot fi unificate la o energie mai mare. Acesta este motivul pentru care teoria supersimetriei este considerată o speranță. Dar din pacate experimentele de la LHC nu au arătat până acum nicio dovadă în sprijinul teoriei supersimetriei. Mai mult, Modelul Standard nu include gravitația. Pentru a o include, există teorii în lucru precum teoria supersimetriei, teoria M sau teoria buclelor cuantice (quantum loop theory).

Tom Kibble și-a încheiat apoi prezentarea arătându-și enorma mulțumire pentru mentorul sau Abdus Salam, pe care l-a definit ca un fizician genial, un lider care inspiă, un diplomat talentat. O mare pierdere a simțit atunci când în 1996 Salam s-a stins din viață în mod prematur.