Indar kosmikoen batasuna

Eremu ahularen simetrizazioa

Gauge simetriak buruan zituztelarik, 1970-80 urte-hamarkadan, Weiberg eta Salam fisikariak indar elektromagnetikoa eta nuklear ahula aztertzen hasi ziren biak batzeko asmoz. Arazoa ondokoa da: gauge simetria bezain konplexua den beste simetria aurkitzea. Aipatutako eremu horiek, eremu bakar baten bitartez adierazi ahal izango ziren horrela, bi eremu horiek funtsezkoagoa den beste indar baten emaitza baino ez direla frogatuz.

Beraz, eman behar zen lehenengo urratsa, indar ahula gauge simetriaren bidez deskribatzea zen. Horretarako kontutan hartu behar dugu indar ahulak eragiten dituen zatikiak leptoiak direla (elektroia eta neutrinoa). Hori kontutan hartuz Weiberg eta Salam-ek elkarrekintza ahularen eremuan "spin-eko simetria isotopiko"aren kontzeptua sortu zuten. Simetria horren bitartez elektroi eta neutrinoen identitateak nahasten dira. Hori hobeto ulertzeko, fikziozko aginte bat imajinatuko dugu.

Aginte hau biratzerakoan, zatiki nuklearren identitatea nahas daiteke.

Adierazlea goialdean dagoenean, zatikia (edo zatikiak) %100 elektroia da.
Adierazlea biratu ahala, zatikiaren izaera hibrido bihurtzen da. Zatikiaren parte bat elektroia da eta gainontzekoa neutrinoa.
• Adierazlea behean dagoenean, elektroia neutrino bihurtu da.

Prozesu berbera bi adierazlerekin egin daiteke.

Beltza den adierazgailuak elektroiak neutrino bihurtzen ditu. Zuria denak aldiz, neutrinoak elektroi.

Kasu honetan errealitatean benetan dauden elektroi eta neutrinoen populazioak deskribatzen dira.
Elektroiek neutrino-dosi bat bereganatzen dute eta alderantziz.

• Elektroi guztiak neutrino bihurtu dira eta neutrinoak elektroi. Partikula guztiak identitatez aldatu dira.

Prozesu hau simetriaren ikuspuntutik aztertzen bada, garrantzia duen printzipio bat postula daiteke: "Indar nuklearrak adierazgailuak duen posizioarekiko independente dira". Inbariantza horri, "spin-eko simetria isotopiko" izena emango diogu.

Inbariante hori, simetria abstraktu bat da. Simetria hori orokorra da. Eta simetria hori murrizten dugunean, eskala-aldaketa orekatzeko indar-eremu berriak sortzen dira. Indar-eremu horiek dira hain zuzen indar ahula deskribatzen dutenak. Indar ahula adierazteko behar diren indar-eremuak hiru dira, eta horrek garbi azaltzen digu eremu ahularen azpian dagoen simetria eremu elektromagnetikoak duena baino askoz konplexuagoa dela. Hiru eremu horiek kuantizatzeko, bakoitzari partikula (kuanto) bat erantsi behar diogu. Partikula teoriko horiek W ⁺ , W ^- eta Z deituak izan dira.

Simetriaren bapateko etendura

Puntu honetara helduta, arazo berri bat sortzen da. Gauge eremuak, eragin zabaleko eremuak dira. Honek eremu horiekin elkartu behar diren zatikiak masa hutsezkoak izan behar dutela esan nahi du. Baina teoriak W eta Z zatikiei eransten dizkien masak handiak dira, eta eransketa horrekin gauge simetria desagertu egiten da.

Nola adierazi kontraesan hori?. Arazo hori "simetriaren bapateko etendura" prozesuaz gainditua izan da. Prozesu hau hobeto ulertzeko, pentsa dezagun irudian agertzen den moduko azalera bat dugula, bere muinoan bola bat duelarik.

Lehenengo irudian (a) daukagun egitura, simetrikoa da (simetria errotazionala), baina ez-egonkorra; grabitazio-indarpean kokatua bait dago. Baina bola hori, duen oreka-posizioarekiko desbideratzen bada (gutxi bada ere) maldan behera txirristatzen hasten da bere posizioa orekatu arte. Oreka lortuz gero b) simetria egonkortasun bihurtu da. Eta egonkor den egitura horretan grabitaziopean dagoen simetria errotazionalak existitzen jarriatzen du, baina izkutatua. Eta sistemaren egoera errealak ezin ditu azaldu sistema hori kontrolatzen duten indarren simetriak.

Beraz, indar ahularen deskribapenean, gauge simetria eremuetan datza, eta eremu horiek ezin dira existitu egoera egonkor batean bere berezko simetria azalduz. Horregatik simetriaren bapateko etenduraren bidez eremua desegin egiten da egoera egonkorra sortuz eta simetria deuseztatuz (izkutatuz hobeto esan), prozesu horretan eremuei dagozkien zatikiei masa erantsiz. Horrela esplikatzen da W eta Z zatikiek dituzten masa handiak.

Indar ahularen aurkikuntza

Eremu ahula simetrizatuz gero (spineko simetria isotopikoaren bidez) eremu hau eremu elektromagnetikoarekin batu nahi badugu, bi indar horietarako teoria bakar bat sortu behar da: indar elektroahularen teoria. Hori lortzeko orain arte ikasitakoarekiko sakonagoa eta konplexuagoa den beste gauge simetria bat asmatu behar da: Simetria horrek eremu elektromagnetiko eta ahuleko simetriak bereganatu behar ditu.

Ikuspuntu honetatik, indar elektroahula deskribatzeko lau eremu beharko ditugu; elektromagnetikoa (bat) eta indar ahularekin elkartuta dauden beste hirurak.

Indar batu berri horren teoria, bi urratsetan baieztatua izan da. 1971 urtean teoria honen barnean elkarrekintzetarako ematen diren diagrama guztiak ordenadoreen bitartez aztertuak izan ziren. Eta izaugarrizko pozez baieztatu zen teoria honetako infinitu guztiak desagertzen zirela. Teoria beraz, quantum elektrodinamika bezala, birnormalizakorra zen eta hori teoria berriaren egitura oso simetrikoa delako gertatzen da.

Bigarren konformazioa 1983 urtean gertatu zen. Urte horretan Geneva-ko zatiki-azeleragailuan W eta Z partikulak esperimentalki behatuak izan ziren (2). Zientziaren une historiko honetatik aurrera, Naturan agertzen ziren oinarrizko lau indarrak hiru bihurtu ziren.

Quantum kromodinamikaren jaiotza

Elektromangenismoa eta indar nuklear ahula batuz gero, zientzilariek gauge simetriaz konfidantza handia hartu dute eta berehalaxe hasi ziren indar elektroahula indar bortitzarekin batzeko lehenengo saiakuntzak egiten.

Horretarako eman behar den lehenengo urratsa, indar bortitzari gauge simetria duen egitura bat eranstea da. Alegia, indar nuklear bortitzaren eremua simetrizatzea.

Lan hori burutzeko hadroiak kontutan hartu behar ditugu. Hadroiak eremu bortitzean elkarrekintzetan parte hartzen duten zatikiak dira. Hadroi hauek quark deritzon unitate bakunen bidez osatuta daude.

Nola definitu quark hauek?. Quark bakoitzak karga elektrikoaren baliokidea den ente bat dauka erantsirik. Karga baliokide hori da eremuaren jatorria. Karga horri 'kolore" izena ematen zaio. Eremu elektromagnetikoa karga baten bitartez sortzen da, baina quark-en arteko elkarrekintza (gluoi deritzona) adierazteko hiru karga-mota (hiru kolore) desberdin behar ditugu. Horren arabera quark bakoitza hiru koloretan ager daiteke; gorria, berdea eta urdina.

Zein izango da eremu bakoitzari erantsitako gauge simetria?. Ondoko hau: Espazioko puntu bakoitzaren kolore-aldaketa gertatu arren, sistema osoaren inbariantza.

Beste erara esanda. Suposa dezagun aginte bat hiru adierazlerekin (gorria, berdea eta urdina).

Aginte horren esangura orokorra, quark-en koloreei erantsitako gauge simetria da.

Beraz quark-en arteko indarra (gluoia) beti aldatu gabekoa azalduko zaigu, koloreak nahasten dituzten adierazleak biratzen badira ere.

Hiru kolore agertzen direnez, eremu bortitzaren simetria konplexuagoa izango da eta beraz simetria murriztua mantentzeko indar-eremu gehiago behar izango ditugu. Konkretuki, 8 indar-eremu berri beharko dira, eremu horiei 8 partikula eransten zaizkielarik (8 gluoi). Gogoratu eremu elektromagnetikoari eransten zitzaion partikula-kopurua bat zela (fotoia), eta indar ahulari hiru (W ⁺ , W ^- eta Z zatikiak).

Protoi bat (hadroi bat), hiru quark deritzonen bidez osatuta dago. Quark horien artean etengabeki gluoiak elkartrukatzen ari dira eta beraz quark horien koloreak aldatuz. Baina gauge simetriaren legeak dioenez, beti elkartrukaketak badira ere azkenean dauzkagun koloreen batura (berdea + urdina + gorria) izan behar du.

Gauge simetria horren gainean fisikaren adar garrantzitsu bat eraiki da: Quantum kromodinamika (QKD) (3).

Quantum kromodinamikaren ikuspegitik, indar bortitza da simetria abstraktu bat mantentzeko Naturak duen ekintza. Alegia, quark-en koloreak aldatzen badira ere, hadroien kolorea zuri (berdea + urdina + gorria) mantentzen da.

QKD-ren finkatzearekin, indar elektromagnetikoak, indar ahulak nahiz bortitzak, gauge eremuaren funtzioan deskribapen bat daukate. Are gehiago, hiru eremu horietatik bi (elektromagnetikoa eta ahula) baturik daude. Posible ote da hiru eremu horiek bat bihurtzeko behar bezain simetria konplexua aurkitzea?

Batasun handiaren bila: BHT teoriak (4)

BHT teoria bat aurkitzeko arazoa, matematikoa da. Eta problema horren ebazpena ez da bakarra,; anitza baizik. Horregatik hain zuzen konpetentzian dabiltzan BHT teoria desberdinak agertu dira. Dena dela teoria guzti horietan partikula askoren indentitatea nahasten duten simetriak ditugu. Indar elektroahula eta bortitza batzeko 22 indar-eremu behar ditugu, horietatik 12 ezagunak, dagozkien erantsitako partikulak (fotoia, W ⁺ , W ^- , Z, 8 gluoi) direlarik. Aurkitu behar diren 10 indar-eremu berrien partikuleei "X zatiki" izena ematen diegu.

BHT teorietan oso garrantzitsua den ondorio bat ematen da. Teoria horien arabera protoiak denbora pasata desintegratu egin behar du. Teoria fisiko guztietan protoia beti egonkor eta iraunkor den zatiki bezala kontsideratua izan da. BHT teoriek protoiaren heriotza aurresaten dute, eta horrekin azkenean kosmosean dagoen materia osoaren desagerpena postulatzen da, zeren eta materiaren egitura, ezegonkor den zatiki baten gainean eraikita bait legoke. Horrelako predikzioa esperimentalki frogagarria izango balitz, izugarrizko garrantzia izango luke BHT teoriak egiaztatzeko. Hala ere, horrelako egiaztapenak sorterazten dituen arazo teknologikoak itzelak dira. Azter dezagun egoera.

Protoiaren heriotza

Heisenberg-en ezbaitasunaren printzipioan oinarriturik, energia (edo baliokidea den masa) eta distantzia erlaziona daitezke. Ikuspuntu honetatik, distantzia txikiak aztertzeko oso energia handiak behar ditugu. X zatikien distantzia 10 ^-29 cm-koa da; partikula horien elkarrekintzarako distantzia alegia. Zenbat energia behar da hain distantzia izaugarriki txikiak zundatzeko?.

BHT-ren unibertsoa quark-ena baino milioi bat milioi aldiz txikiagoa da. Quark izenekoa zundatzeko 3 km-ko zatiki-azeleragailu bat (Standford-eko azeleragailu lineala) erabili behar izan dugu. Horren arabera, BHT mundua zundatzeko gure eguzki-sistemak duen neurritako azeleragailua beharko genuke. Muga horrek ez du garrantzirik izango filosofoarentzat, baina bai fisika esperimentalean murgilduta dagoen zientzilariarentzat.

Beraz, protoiaren desintegrazioaren azterketa ez da gaur egun posible laborategian, eta behar bada sekula ere ez. Baina, Natura laborategi itzel bezala har daiteke, eta laborategi kosmiko horretan gertatzen diren fenomenoak aztergai dira. Horrela, BHT teoriarik sinpleenak protoiari ematen dion batezbesteko bizia 10 ³¹ urtekoa bada, horrek 10 ³¹ protoi baldin baditugu urtebetean protoi bat desintegratuko dela esan nahi du.

Gauzak horrela direla eta, materialezko oso masa handia toki berezi batean (esperimentuan eragingarriak izan daitezkeen izpi kosmikoen eta neutrinoen gerizpean) jarriko bagenu, protoi batzuren desintegrazioa antzematea posible izango litzateke. Esperimentu hauek meazulo sakonetan eta kobazulotan egiten ari dira izpi kosmikoen eragina ahultzeko, eta dakigunez, orain arte emaitza handirik ez da lortu (5).

Dena dela emaitza zehatzik lortuko ez bagenu, horrek BHT sinpleenak baztertuak gelditzen direla esan nahiko luke; besterik ez. Zeren beste teoriatan protoiaren bizitza askoz luzeagoa bait da.

Gaur egun egin daitezkeen esperimentu hauek eta monopolo magnetikoenak, fisika esperimentalaren mugetan aurkitzen dira. Eta badirudi bide horretatik irtenbide garbirik ez dela ikusten. Horregatik, fisika esperimentalak dituen mugak gainditu nahirik, gogor eta tinko sortu da fisika teorikoa. Eta bide berri horretatik espero da fisikaren egungo garapena.

OHARRAK

Ingelesez: Quantum Elctrodynamics (QED)
Espainolez: Elctrodinámica Cuantica (EDC)
Euskaraz: Quantum Elektrodinamika (QED)
Euskararako egindako letra-aukera hau egokiena dela deritzot, zeren eta era horretan ingelesak (zientzi mailan nazioarteko hizkuntza) eta euskarak bat egiten bait dute. Beraz quantum hitza izentzat hartuko dugu. Dena dela letra ingelesak erabiltzea ere egokia izango litzateke.
C.E.R.N. (Centre Européen Recherches Nucléaires) deritzonaren Carlo Rubbia-k zuzendutako talde batek 1983, urtean W ⁺ eta W ^- bosoiak eta Z partikula ikusi zituen. Horretarako saiakuntza berezi bat asmatu, eta protoi/ /antiprotoi zatiki-talkagailu bat eraiki behar izan zuten. Guzti horiengatik Carlo Rubbia-k eta Simon Van der Meer-ek 1984.go Fisikako Nobel Saria jaso zuten.
Ingelesez: Quantum Chrodynamics (QCD)
Espainolez: Cromodinámica Cuántica (CDC)
Euskaraz: Quantum Kromodinamika (QKD)
Ingelesez: Grand Unified Theories (GUT)
Espainolez: Grandes Teorias Unificadas (GTU)
Euskaraz: Batasun Handieneko Teoriak (BHT)
Azkeneko hilabeteotan protoi baten desintegrazioa ikusi denaren berria zabaldu da zientzilarien artean. Horrelako behaketa beste zenbaitekin lotu beharko da, protoia desintegratzen dela ziurtatsun osoz baieztatu ahal izateko.