De la descoperirea protonului și a electronului în secolul al XX-lea, un mister persistă în miezul atomului: în ciuda faptului că aparțin unor familii de particule complet diferite și sunt radical diferite ca mărime, sarcinile acestor două particule se echilibrează complet reciproc – permițând un univers în care domină gravitația. Dar de ce?
Pentru a explora indiciile, Live Science s-a așezat cu Frank Closeun autor și profesor emerit de fizică a particulelor la Universitatea Oxford, pentru a discuta despre noua sa carte “Încărca” (Oxford University Press, 2024). În ea, Close urmărește enigma printr-o istorie concisă a fizicii particulelor, inclusiv forțele puternice, slabe și electromagnetice care operează pe distanțe scurte, descoperirea bosonul Higgsși indicii ale unei teorii unificate, care nu a fost încă descoperită.
Ben Turner: Cartea ta oferă un rezumat fascinant al stării actuale a fizicii particulelor și al misterelor rămase în ea – cel mai important neutralitatea electrică a materiei. Ce te-a motivat să o scrii? Și de ce acum?
Frank Close: A fost un puzzle care este cu mine de mult timp.
De ce, la fiecare respirație pe care o iei, părul tău nu ți se ridică pe cap, având în vedere că respiri un miliard de miliarde de miliarde de atomi de oxigen și azot în aer, fiecare dintre care are toată această electricitate în el? Sarcina negativă a electronilor tuturor acestor atomi este puțin mică, dar sunt atât de mulți dintre ei împreună încât o singură respirație este ca și cum ai respira aproximativ 15.000 de coulombi – este suficient pentru a declanșa 1.000 de fulgere.
Răspunsul este că atomul este neutru din punct de vedere electric. Sarcina negativă a electronului din exterior este echilibrată precis de sarcina pozitivă a nucleului din mijloc.
Este una dintre întrebările fără răspuns din știință și mi se pare, poate, cea mai imediată. Nu trebuie să ai un fundal teoretic uriaș pentru a observa asta.
BT: „De ce” este întotdeauna una dintre întrebările cele mai grele de pus în fizică, dar o voi face. De ce ar putea taxele să fie perfect echilibrate?
FC: Este o întrebare solidă pe care ați putea-o pune unui doctorand cu adevărat inteligent care își face examenul. Știi că tu nu știi răspunsul și nici ei nu, dar s-ar putea să-i înspăimânteze pentru o clipă.
Este puzzle-ul din inima cărții. Dacă am avut această discuție în urmă cu un secol, singurele particule care erau cunoscute erau electronii încărcați negativ și protonii încărcați pozitiv. Probabil ți-aș fi spus că nu știu prea bine ce este sarcina, dar este ceva ce poți lua sau adăuga și că în cazul electronului i s-a îndepărtat și protonului i s-a adăugat.
Problema este că acum știm mult mai multe. În anii 1960 am descoperit că protonul are o structură, este alcătuit din lucruri numite quarci. Cuarcii sus au două treimi din sarcină pozitivă, iar cuarcii down au o sarcină negativă de o treime. Cel mai simplu mod de a face un proton este din trei quarci – doi quarci sus și unul down. Daca vrei sa faci un [neutrally charged] neutron folosești doi cuarci down și unul up.
Așadar, egalitatea dintre sarcina plus unu a protonului și încărcarea minus unu a electronului este o conspirație remarcabilă. Este o coincidență? Nu cred în coincidențe. Dar arată că dilema nu este doar o chestiune de pictare a sarcinii pe proton și îndepărtarea acestuia din electron.
BT: Mă întreb din nou de ce, dar de ce se adună quarkurile în trei? Ce o cauzează? Și care este relația sa cu sarcina electrică?
FC: Quarcii poartă un alt tip de încărcătură, pe care o numim culoare. Această încărcătură de culoare apare în trei soiuri diferite: roșu, albastru și verde. Nu sunt culori reale, dar există trei dintre ele și urmează aceleași reguli ca și încărcările electrostatice – cu sarcini asemănătoare respingând și altele spre deosebire de atracție. Deci, aceste „trei” încărcături de culoare le ajută să se aglomereze puternic pentru a forma protonul. Faptul că fiecare dintre ei, în medie, poartă o treime de sarcină electrică este ceea ce face ca conspirația să funcționeze.
Se întâmplă ceva tentant. Sarcinile de culoare urmează aceleași reguli de atracție și repulsie ca și sarcinile electrice. Simți că, la un anumit nivel, aceste lucruri sunt profund legate, deși nu prea știi cum. Simți că ești la limita a ceva. Dacă am putea vedea puțin mai clar, totul s-ar pune la loc.
BT: Și asta este posibil că toate sunt conectate, sau ramificări ale aceluiași lucru la energii diferite, o așa-numită teorie mare unificată a tuturor?
FC: Trebuie să fie relicve fosile ale a ceva mult mai semnificativ, puternic și unificat, din care începe să iasă ideea unei teorii unificate. În mod clar am dat peste ceva aici: cei „trei” dintre acestea [short range] forțe așa cum le cunoaștem în universul rece astăzi.
Știm din experimente foarte precise din ultimii 30 sau 40 de ani că, pe măsură ce mergi la energii mai înalte la Ciocnitorul mare de hadronică puterea relativă a acestora [fundamental] forțele se schimbă ușor. Dacă extrapolezi asta, înseamnă că la o energie inimaginabil de mare aceste trei forțe[the[theforță puternică prin încărcare de culoare, forța electromagnetică prin încărcare electrostatică și forța slabă prin bosonii W și Z]au aproximativ aceeași putere.
BT: Ai folosit cuvântul tentant pentru a descrie aceste indicii. Dacă acesta este cazul, cât de aproape am fi de a găsi o teorie mare unificată? Când au început fizicienii să urmărească această idee?
FC: Din punct de vedere matematic, nu există nicio dificultate în a crea teorii mari unificate. Frustrarea de a fi un fizician teoretician este că experimentul tot îți arată că te înșeli.
De 2.000 de ani am căutat din ce este făcută materia și am găsit straturi mai profunde de structură mergând la energii din ce în ce mai mari. În jurul anului 1970, a apărut ideea că la energii extrem de mari lucrurile ar putea fi simple și că universul timpuriu era, de asemenea, foarte fierbinte.
La CERN, am început să facem experimente care au anihilat inițial electronii și omologii lor de antimaterie, pozitronii, astfel încât energia lor cinetică cu viteza luminii a fost convertită instantaneu într-un fulger de energie pură. Într-o regiune foarte mică, pentru o scurtă clipă, aveți genul de densitate de energie care ar fi fost prezentă în univers la aproximativ o miliardime de secundă după Big bang.
Observând ceea ce a reieșit din acel „mini bang”, am început să înțelegem nu atât din ce este făcută materia astăzi, ci cum a apărut materia în primul rând. Asta a început o tranziție psihologică de la fizica particulelor la cosmologia experimentală – nu mai era doar colecționare de timbre, am replicat consecințele creației.
BT: În prezent, fizica particulelor se deplasează încet în energii mai înalte, iar cosmologia devine mult mai bună în privința înapoi în anii mai fierbinți, mai devreme ai universului, uitându-se în ciocnitorul de particule primordial. Care sunt marile întrebări deschise care rămân?
FC: Cred că probabil prima este să mă întorc cu 10 ani în urmă la descoperirea bosonului Higgs. Ce înseamnă de fapt descoperirea sa și unde ar trebui să mergem de aici?
Există ceva foarte profund despre bosonul Higgs. Confirmă că, dacă ai lua totul – toate particulele, toate sursele de sarcină și gravitație și orice altceva din univers – ar mai rămâne ceva. O esență ciudată pe care o numim câmpul Higgs. Ce este, habar nu avem, dar există.
Noi și totul suntem scufundați în câmpul Higgs și avem nevoie de el așa cum un pește are nevoie de apă. Știm că este acolo pentru că (la fel cum face un câmp electromagnetic cu fotonii) dacă adăugați un pic de energie câmpului Higgs, acesta va bule ca bosoni Higgs. Aceasta înseamnă că, în căldura Big Bang-ului, bosonii Higgs erau peste tot.
E ca și cum un pește de aur foarte inteligent ar fi descoperit o moleculă de H2O. Acum știe că este scufundat în apă, dar ceea ce vrea cu adevărat să știe este cum este apa: “Ce este apa? Ce este gheața? Ce este aburul?”
Într-un mod similar, vrem să știm dacă câmpul Higgs are faze diferite și cum funcționează. În prezent, putem produce periodic un boson Higgs, dar am putea produce doi în același timp într-o singură coliziune și să vedem cum interacționează? Acesta este obiectivul imediat la CERN și în următorul deceniu sunt sigur că răspunsul va începe să apară.
Nota editorului: Acest interviu a fost condensat și editat pentru claritate.