Γιατί τα σωματίδια της ύλης έρχονται σε τρία; Ένας Τιτάνας Φυσικής Ζυγίζει.

Το σύμπαν έχει μαγειρέψει κάθε είδους παράξενες και όμορφες μορφές ύλης, από φλεγόμενα αστέρια έως γάτες που γουργουρίζουν, από τρία μόνο βασικά συστατικά. Τα ηλεκτρόνια και δύο τύποι κουάρκ, που ονομάζονται "πάνω" και "κάτω", αναμιγνύονται με διάφορους τρόπους για να παράγουν κάθε άτομο που υπάρχει.

Αλλά παραδόξως, αυτή η οικογένεια σωματιδίων ύλης - το επάνω κουάρκ, το κάτω κουάρκ και το ηλεκτρόνιο - δεν είναι το μόνο. Οι φυσικοί ανακάλυψαν ότι αποτελούν την πρώτη από τις τρεις διαδοχικές «γενιές» σωματιδίων, η καθεμία βαρύτερη από την τελευταία. Τα σωματίδια δεύτερης και τρίτης γενιάς μεταμορφώνονται στα ελαφρύτερα αντίστοιχά τους πολύ γρήγορα για να σχηματίσουν εξωτικές γάτες, αλλά κατά τα άλλα συμπεριφέρονται πανομοιότυπα. Είναι σαν οι νόμοι της φύσης να συντέθηκαν εις τριπλούν. «Δεν ξέρουμε γιατί», είπε η Heather Logan, σωματιδιακή φυσική στο Πανεπιστήμιο Carleton.

Στη δεκαετία του 1970, όταν οι φυσικοί επεξεργάστηκαν για πρώτη φορά το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής - το ακόμα κυρίαρχο σύνολο εξισώσεων που περιγράφουν τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους - αναζήτησαν κάποια βαθιά αρχή που θα εξηγούσε γιατί υπάρχουν τρεις γενιές από κάθε τύπο σωματιδίου ύλης. . Κανείς δεν έσπασε τον κώδικα και η ερώτηση παραμερίστηκε σε μεγάλο βαθμό. Τώρα, όμως, ο νομπελίστας φυσικός Στίβεν Γουάινμπεργκ, ένας από τους αρχιτέκτονες του Καθιερωμένου Μοντέλου, αναβίωσε το παλιό παζλ. Ο Weinberg, ο οποίος είναι 86 ετών και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Ώστιν, υποστήριξε σε μια πρόσφατη εργασία στο περιοδικό Physical Review D ότι ένα ενδιαφέρον μοτίβο στις μάζες των σωματιδίων θα μπορούσε να οδηγήσει το δρόμο προς τα εμπρός.

«Το έγγραφο του Weinberg είναι λίγο αστραπή στο σκοτάδι», είπε ο Anthony Zee, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα. "Ξαφνικά ένας τιτάνας στο χωράφι ξαφνικά εργάζεται ξανά σε αυτά τα προβλήματα."

«Είμαι πολύ χαρούμενος που βλέπω ότι πιστεύει ότι είναι σημαντικό να επανεξετάσουμε αυτό το πρόβλημα», δήλωσε ο Mu-Chun Chen, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine. Πολλοί θεωρητικοί είναι έτοιμοι να τα παρατήσουν, είπε, αλλά «θα πρέπει να είμαστε ακόμα αισιόδοξοι».

Το Καθιερωμένο Μοντέλο δεν προβλέπει γιατί κάθε σωματίδιο έχει τη μάζα που έχει. Οι φυσικοί μετρούν αυτές τις τιμές πειραματικά και συνδέουν χειροκίνητα τα αποτελέσματα στις εξισώσεις. Οι μετρήσεις δείχνουν ότι το μικροσκοπικό ηλεκτρόνιο ζυγίζει 0,5 μεγαηλεκτρόνια βολτ (MeV), ενώ τα αντίστοιχα δεύτερης και τρίτης γενιάς, που ονομάζονται μιόνιο και σωματίδιο ταυ, γέρνουν τη ζυγαριά στα 105 και 1.776 MeV, αντίστοιχα. Ομοίως, τα κουάρκ πρώτης γενιάς είναι σχετικά ελαφριά, ενώ τα κουάρκ «γοητείας» και «παράξενα» που αποτελούν τη δεύτερη γενιά κουάρκ είναι μεσαίου βάρους και τα κουάρκ «κορυφής» και «κάτω» της τρίτης γενιάς είναι βαριά. κορυφή που ζυγίζει ένα τερατώδες 173.210 MeV.

Η εξάπλωση στις μάζες είναι τεράστια. Όταν οι φυσικοί στραβοκοιτάζουν, όμως, βλέπουν μια δελεαστική δομή στο σημείο που πέφτουν οι μάζες. Τα σωματίδια συγκεντρώνονται σε κάπως ομοιόμορφα κατανεμημένες γενιές:Τα σωματίδια τρίτης γενιάς ζυγίζουν όλα χιλιάδες MeV, τα σωματίδια δεύτερης γενιάς ζυγίζουν περίπου εκατοντάδες MeV και τα σωματίδια πρώτης γενιάς έρχονται με περίπου ένα MeV το καθένα. «Καθώς κατεβαίνετε κάθε επίπεδο, γίνονται εκθετικά ελαφρύτεροι», λέει ο Πάτρικ Φοξ, σωματιδιακός φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi στο Ιλινόις.

Στις εξισώσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου, η μάζα κάθε σωματιδίου αντιστοιχεί στον βαθμό στον οποίο «αισθάνεται» ένα πεδίο γεμάτο σύμπαν γνωστό ως πεδίο Higgs. Τα κορυφαία κουάρκ είναι βαριά επειδή βιώνουν έντονη οπισθέλκουσα καθώς κινούνται μέσα στο πεδίο Higgs, σαν μια μύγα κολλημένη στο μέλι, ενώ τα μυρωδικά ηλεκτρόνια περνούν μέσα από αυτό σαν πεταλούδες στον αέρα. Σε αυτό το πλαίσιο, το πώς αισθάνεται κάθε σωματίδιο το πεδίο είναι ένα εγγενές χαρακτηριστικό του σωματιδίου.

Στις μεθυστικές μέρες της νιότης του Καθιερωμένου Μοντέλου, η εξήγηση από πού προήλθαν αυτά τα χαρακτηριστικά θεωρήθηκε ως το επόμενο λογικό βήμα. Ο Ζι θυμάται ότι ζήτησε από τον τότε μεταπτυχιακό φοιτητή του, Στίβεν Μπαρ, να υπολογίσει τη μάζα του ηλεκτρονίου ως διδακτορικό του έργο - μια εργασία με την οποία παλεύει η πρόσφατη εργασία του Γουάινμπεργκ σήμερα, περισσότερα από 40 χρόνια αργότερα. Ο Barr και ο Zee δημοσίευσαν μια πρόχειρη ιδέα το 1978, αλλά η θεωρία χορδών εξερράγη στη σκηνή μόλις λίγα χρόνια αργότερα, λέει ο Zee, σαρώνοντας τέτοιες προσπάθειες.

Η κύρια ιδέα των Barr και Zee, εν μέρει εμπνευσμένη από τα προηγούμενα έργα του Weinberg, ήταν να ακολουθήσουν τη μάζα. Σε σύγκριση με τον βαρύ όγκο του κορυφαίου κουάρκ, οι μάζες του ηλεκτρονίου και άλλων σωματιδίων μοιάζουν με σφάλματα στρογγυλοποίησης. Ίσως αυτό οφείλεται στο ότι είναι. Οι Barr και Zee πρότειναν ότι μόνο το βάρος των βαρύτερων σωματιδίων είναι θεμελιώδες κατά κάποια έννοια.

Μια θεωρία του 2008 από τους Fox και Bogdan Dobrescu της Fermilab συνεχίστηκε από εκεί που σταμάτησαν. Η μάζα του κορυφαίου κουάρκ τυχαίνει να είναι περίπου η ίδια με τη μέση ενέργεια του πεδίου Higgs, έτσι οι Fox και Dobrescu υπέθεσαν ότι μόνο το κορυφαίο κουάρκ διαπερνά το πεδίο με τον τυπικό τρόπο. "Η κορυφή είναι σαφώς ξεχωριστή από κάποια άποψη", είπε η Fox.

Τα άλλα σωματίδια βιώνουν το πεδίο Higgs έμμεσα. Αυτό είναι δυνατό επειδή η κβαντομηχανική αβεβαιότητα επιτρέπει στα σωματίδια να υλοποιούνται για σύντομες στιγμές. Αυτές οι φευγαλέες εμφανίσεις σχηματίζουν σύννεφα «εικονικών» σωματιδίων γύρω από πιο μόνιμες οντότητες. Όταν τα εικονικά κορυφαία κουάρκ συνωστίζονται γύρω από ένα μιόνιο (δεύτερης γενιάς), για παράδειγμα, θα μπορούσαν να εκθέσουν το μιόνιο στο πεδίο Higgs μέσω μιας αμοιβαίας αλληλεπίδρασης με ένα νέο θεωρητικό σωματίδιο, δίνοντας στο μιόνιο λίγη μάζα. Επειδή όμως η έκθεση είναι έμμεση, το σωματίδιο παραμένει πολύ ελαφρύτερο από το πάνω μέρος.

Ένας δεύτερος γύρος αυτού του παιχνιδιού κβαντικού τηλεφώνου κάνει το ηλεκτρόνιο πρώτης γενιάς ελαφρύτερο και πάλι από έναν παρόμοιο παράγοντα, εξηγώντας την πρόχειρη απόσταση μεταξύ χιλιάδων, εκατοντάδων και λίγων MeV μάζας. (Τα ελαφρύτερα σωματίδια από όλα, τα νετρίνα, έρχονται επίσης σε τρεις γενιές. Αλλά δρουν τόσο διαφορετικά από τα άλλα θεμελιώδη σωματίδια μεγάλης μάζας που δεν ταιριάζουν σε τέτοια σχήματα.)

Η πρόσφατη δημοσίευση του Weinberg εξετάζει πολλούς τρόπους με τους οποίους θα μπορούσε να λειτουργήσει αυτό το τηλεφωνικό παιχνίδι. Χορηγεί την ικανότητα να αισθάνεται το πεδίο Higgs σε ολόκληρη την τρίτη γενιά σωματιδίων ύλης - δηλαδή στο επάνω κουάρκ, στο κάτω κουάρκ και στο σωματίδιο ταυ. Η μάζα κυλάει στη δεύτερη και την πρώτη γενιά από εκεί μέσω αλληλεπιδράσεων με εξωτικά εικονικά σωματίδια.

Ωστόσο, οι προσπάθειες του Weinberg και του Fox και του Dobrescu αποτυγχάνουν. Οι δύο τελευταίες κατέληξαν να αυξάνουν (αντί να μειώνουν) τον αριθμό των ανεξήγητων σταθερών στο Καθιερωμένο Μοντέλο προκειμένου να ληφθούν υπόψη οι μάζες σωματιδίων τριών γενεών. Η πρόταση του Weinberg κάνει λάθος τις σχέσεις μεταξύ ορισμένων μαζών και αποτυγχάνει να περιγράψει πώς τα σωματίδια ανώτερης γενιάς μπορούν να μετατραπούν σε κατώτερης γενιάς (το φαινόμενο που εξηγεί γιατί δεν βλέπουμε άτομα από σωματίδια δεύτερης ή τρίτης γενιάς). Ο Weinberg δεν ήταν διαθέσιμος για να συζητήσει το έργο του, αλλά ο Fox προτείνει ότι ο Weinberg πιθανότατα έγραψε την εργασία για να ενθαρρύνει τους νεοφερμένους να ανταποκριθούν στην πρόκληση και να επισημάνει τα προβλήματα που πρόκειται να αντιμετωπίσουν.

Ο Fox βλέπει αυτά τα εμπόδια όχι ως μοιραία χτυπήματα, αλλά ως σημάδια ότι οι θεωρίες χρειάζονται περισσότερες τροποποιήσεις. «Η φύση δεν είναι ποτέ ακριβώς όπως τη φαντάζεσαι στο πρώτο πέρασμα», είπε. "Έχετε μια όμορφη ιδέα και σας οδηγεί στο 80% της διαδρομής."

Άλλοι δεν είναι πεπεισμένοι ότι το να ξεχωρίσεις την τρίτη γενιά και να κάνεις μασάζ σε προσωρινά σύννεφα σωματιδίων είναι ο σωστός δρόμος. "Φαίνεται μάλλον ad hoc γιατί είναι κάτι που το βάζεις με το χέρι", είπε ο Chen. Ελπίζει να εξηγήσει τις τρεις γενιές ενσωματώνοντας το Καθιερωμένο Μοντέλο σε ένα ευρύτερο πλαίσιο όπως η θεωρία χορδών. Ένα μοντέλο που μελετά μειώνει τον αριθμό των θεμελιωδών τιμών μάζας προσθέτοντας πολλά νέα πεδία τύπου Higgs στο σύμπαν, αν και τα εξωτικά σωματίδια που σχετίζονται με αυτά τα υποτιθέμενα πεδία είναι πολύ βαριά για να αναζητηθούν με τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων της Ευρώπης.

Η μόνη σταθερή απόδειξη που θα μπορούσε να υποστηρίξει ή να διακρίνει μεταξύ των θεωριών για τις μάζες των σωματιδίων της ύλης θα ήταν η ανακάλυψη των διαφόρων εξωτικών σωματιδίων που προβλέπει το καθένα. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων δεν έχει δει κανέναν, αλλά ο Fox δεν έχει χάσει εντελώς την ελπίδα ότι τα φαντάσματα θα μπορούσαν κάποια μέρα να εμφανιστούν. Πιστεύει ότι τα πειράματα που διερευνούν σπάνιους μετασχηματισμούς σωματιδίων, όπως η διάσπαση μιονίου σε ηλεκτρόνιο που θα μελετήσει το πείραμα Mu2e της Fermilab όταν κυκλοφορήσει φέτος στο διαδίκτυο, έχουν τις καλύτερες πιθανότητες να ανιχνεύσουν έμμεσα τα σωματίδια που παρεμβαίνουν και να ταρακουνήσουν το Καθιερωμένο μοντέλο.

«Δεν ξέρουμε αν κάτι από αυτά έχει νόημα», είπε. "Θα πρέπει να περιμένουμε και να δούμε."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  Wired.com .