El. dalelių simetrija persmelkia viską  

Norime to ar ne – taisyklės reguliuoja mūsų gyvenimą. Tačiau vienas taisyklių rinkinys yra virš visų kitų taisyklių – tai elementariųjų dalelių, iš kurių sudaryta visa Visata, dėsniai. Pagrindinės taisyklės nėra sudėtingos: dalelės gali šokinėti – ir taip darydamos skleidžia arba absorbuoja šviesos daleles (fotonus). O žinodami elektronų dėsnius, galime suprasti atomų ir molekulių elgseną, kas yra šiuolaikinės chemijos sritis.

Tik štai – taisyklių žinojimas nėra viskas. Tai tarsi šachmatų žaidimas. Jei nežinote jo taisyklių, galite jas nustatyti stebėdami žaidžiamas (žaistas) partijas. Stebėdami suprasite leistinus ėjimus (gal sunkiau suvokti „kirtimą praeinant“ - en passant). Taip ir el. dalelių fizikoje – bandome suprasti „žaidimo“ taisykles jas stebėdami. Tačiau sužinoję taisykles neimsite žaisti kaip didmeistriai.

Pagrindinį vaidmenį vaidina simetrija. Pvz., snaigės simetrija leidžia nustatyti snaigės formą turint tik pusę snaigės. Pažymėtina, kad tokį pat simetrijos grožį perteikia el. dalelių elgsenos matematinės lygtys. Tačiau, skirtingai nuo snaigių, tai kažkas, ko nepamatysi tiesiogiai, nes tai nėra formos simetrija. Tai abstrakti simetrija, kuri vadinama sąveikos simetrija. Tačiau nuo to ji nepraranda žavesio.

Tarkim, kad norim parašyti lygtis, aprašančias kaip elgiasi tarpusavyje nesąveikaujančios el. dalelės. Tai nesunku, nes Einšteino specialioji reliatyvumo teorija daugiau ar mažiau nurodo, ką reikia rašyti. Tačiau jos aprašys labai nuobodžią visatą, kurioje nėra nieko, kas yra mūsiškėje. Pvz., joje gali būti vien tik elektronai ir nieko daugiau – tad nebus iš ko susidaryti atomams.

Lygtys
Čia iliustruojamas lygčių pasikeitimas pereinant nuo nesąveikaujančių dalelių (kairėje rodyklės pusėje) prie sąveikaujančių (dešinėje). Raudonai pateikta dalis pilnai paaiškina el. dalelių sąveiką. Joje f (psi) išreiškia realias daleles (kaip išvardinta – kvarkus, elektronus, neutrinus...). Elementai su W ir B nusako taisykles fotonų skleidimui ir absorbavimui, o elementas su G – gluonų emisiją ir absorbciją.

Ir čia pasireiškia simetrijos žavumas. Sąveikos simetrija nurodo, pvz., kad gali būti numatyti fotonai, kuriuos gali skleisti ar sugerti šokinėjantys elektronai. Mat be fotonų matematinėje dalyje neįmanoma simetrija. Taigi, fotonai yra simetrijos pasekmė.

Ir čia pasidarė įdomu – kodėl gi fundamentaliosios gamtos taisykles išreiškiančios lygtys tokios paprastos? Hm, - geras klausimas, į kurį kol kad nežinome atsakymo. Kaip bebūtų, tačiau atrodo, kad mūsų Visata sukurta taip, kad el. dalelių elgsenos taisyklės būtų itin grakščiai matematiškai išreiškiamos. Ir tai tikrai nuostabu, nes jos reguliuoja viską – nuo rožės žiedlapių spalvos iki „pakurų“ žvaigždžių širdyse.

El. dalelių fizika 5-iais punktais

1. Visata sudaryta iš el. dalelių. Sąveika tarp jų apibrėžiama tik 4-ių jėgų eikimu: silpnosios ir stipriosios branduolinės sąveikų, elektromagnetinės jėgos ir gravitacijos;
2. Simetrija leidžia glaustai užrašyti tų jėgų veikimo lygtis;
3. Simetrijos dėka el. dalelių fizika turi labai paprastas taisykles;
4. Be Higso bosono el. dalelės neturėtų masės ir visur zvimbtų šviesos greičiu. Jos negalėtų sudaryti atomų ir toks pasaulis kaip mūsų negalėtų egzistuoti;
5. Standartinis modelis apjungia viską, ką šiuo metu žinome apie el. daleles. Bet lieka neatsakyti klausimai: iš ko sudaryta tamsioji materija? kas tai yra tamsioji energija?

Standartinio modelio naudai kalba ir Higso bosono atradimas.
Sąveikos simetrija teisingai nurodo, kaip turi sąveikauti dalelės, tačiau ji pritaikoma, kai dalelės neturi masės. T.y., masės įtraukimas į lygtis kaip ir sugriauna simetriją. Tai rimta problema, nes realiame pasaulyje dalelės tikriausiai turi masę.

Tačiau 7-o dešimtm. pradžioje P. Higgs‘as*), F. Englert‘as ir R. Brout‘as nustatė, kad įmanoma išlaikyti lygčių simetriją įtraukiant naują dalelę. Tačiau tik po 50 m. ją 2012 m. pastebėjo (galbūt) LHC.

Vis tik Standartinis modelis dar nėra galutinis sprendimas. Pvz., jis neapima gravitacinės jėgos, nes dar niekas nenustatė, kaip galima užrašyti lygtis taip, kad šios sujungtų Einšteino gravitacijos teoriją su kvantinės fizikos dėsniais. Nors atrodo, kad toji jėga tokia silpna, kad į ją galima nekreipti dėmesio atliekant bandymus su el. dalelėmis. Ji tampa svarbia tik nagrinėjant ypač didelius objektus, pvz., planetas ir žvaigždes. Vis tik mes neturime lygčių, aprašančių dėsnius ten, kur gravitacija ypač stipri, pvz., prie juodųjų skylių.

Kita vertus, jokia Standartinio modelio dalelė netinka „tamsiosios materijos“ paaiškinimui. Ši materija, sudaranti 85% Visatos masės, lieka mįsle. Astronomas nustatė jos buvimą – ir paskaičiavo pasiskirstymą kosmose – matuotami jos trauką įprastinei materijai, tačiau nežinoma, iš ko ji sudaryta.

Neturėtų labai stebinti, kad gali būti ir naujų el. dalelių. Tarkim, tokia dalelė gali būti „tamsi“, - „tamsumas“ reiškia, kad dalelė neskleidžia ir neabsorbuoja fotonų (tiesą sakant, tokie yra ir neutrinai). Juk kodėl turi egzistuoti tik tokios dalelės, kurias galime išvysti per teleskopus?! Ir lieka viltis, kad LHC apčiuopiamoje ateityje sugebės sukurti tamsiąsias daleles.

Astronominiai matavimai atskleidė esant ir „tamsiąją energiją“, verčiančią tolimas galaktikas tolti greitėjant. Tai irgi kažkas, ko nepaaiškina Standartinis modelis.


*) Piteris Higsas (Peter Ware Higgs, g. 1929 m.) – britų fizikas-teoretikas, Londono Karališkosios draugijos narys, Nobelio premijos laureatas (2013 m. kartu su F. Englertu) už Higso bosono nuspėjimą. Jis atsakingas už spontanišką elekros silpnosios sąsajos simetrijos pažeidimą ir taip leidžia el. dalelėms įgauti masę. Idėjo kilo pasivaikštant Edinburgo apylinkėmis.

Visatos modeliai
Galileo Galilėjus
Besiplečianti Visata
Nekritinė stygų teorija
Lyginamoji kosmologija
Antigravitacijos paieškos
Kvantinio pasaulio katinai
Bendroji reliatyvumo teorija
Chaosas linksta į sinergetiką
Labai prasta balerina ir šuolis laike?
Šiuolaikinė fizika – į tiesą panašus mitas?
Kvantinė mechanika: Triumfas ar ribotumas?
Stivenas Hokingas – nenurimstantis invalidas
Labai suderinta Visatos sandara
Duokite mums Alcubierre pavarą
Nepaprasti Visatos skaičiai
Kokia yra Visata? Sukasi?
Vieningo lauko teorija
Lygiagrečios visatos
Laiko fenomenas
Vartiklis