Kvarkų amžius: naujosios fizikos raktas

Paklauskite mokslininkų, koks jų didžiausias troškimas ir daugelis moksliukų pasakys, kad tai atsakymas į gyvenimą, visatą ir viską – ar, jei to neišeina, funkcionuojantį šviesos kardą.

Tad keista, kad viena mokslo tyrimų sritis, galinti suteikti abu šiuos dalykus, taip menkai nušviečiama. Po viso pastarųjų metų šurmulio, nebūtų nuostabu, jei galvojate, kad materijos pagrindų supratimas sukasi vien apie Higgso bozoną – „dieviškąją dalelę“, paaiškinančią, iš kur randasi masė.

Higgso bozonas (HB, higsonas), nėra kalbos, labai svarbus. Bet mums jis gan nereikšmingas, nes sudaro vos 1% – 2% įprastos materijos masės. O milžiniška higsonų sukūrimui būtina energija reiškia, kad vargu ar greitu laiku išvysime jo savybes išnaudojančią technologiją.

Dvi geriau pažįstamos, nors gal ir ne tokios šlovingos, dalelės gali pasiūlyti daugiau. Išsiaiškinę jų sudėtingumus, galėtume paaiškinti, kaip atsirado ir išliko materialioji visata, ir ištirti stogą raunančias technologijas: ne tik šviesos kardus, bet ir naujoviškus lazerius ir medžiagas energijos kaupimui. Žinia, lengviau pasakyti, nei padaryti – bet su visa skaičiavimų galia būtent to ir imamės.

Tikėtina, žinote, su kuo valgomi protonai ir neutronai. Bendrai vadinamos nukleonais, šios dvi dalelės sudaro atomo branduolį, mėsingąją atomo širdį. (Pagal masę, apie branduolį zujantys gležnučiai elektronai nors kiek žymiau prie atomo masės neprisideda.)

Pagrindinis protonų ir neutronų skirtumas yra tas, kad protonų elektrinis krūvis teigiamas, o neutronai yra neutralūs. Bet jų masės taip pat vos vos skiriasi: dalelių fizikų naudojamais masės vienetais, neutronas sveria 939,6 megaelektronvoltus (MeV), o protonas – 938,3 MeV.

Tai yra vos 0,14% skirtumas, tačiau vajė, koks jis svarbus. Papildoma neutronų masė reiškia, kad jie skyla į protonus, o ne atvirkščiai. Protonai telkiasi su neigiamai įelektrintais elektronais ir formuoja patvarius, struktūriškus, elektriškai neutralius atomus, be kurių pasaulis būtų vientisa neutronų pliurzą.

„Visata būtų neatpažįstama, jei protonai būtų sunkesni už neutronus,“ sako dalelių teoretikas Chrisas Sachrajda iš Southamptono universiteto JK. „Protonas yra stabilus, todėl atomai stabilūs ir mes stabilūs.“ Pagal dabartinius geriausius spėjimus, protonų pusamžis, jo stabilumo rodiklis, yra bent 10³² metų. Žinant, kad visatai tik 10¹⁰ metų ar panašiai, galima gan užtikrintai teigti, kad niekas neregėjo protono skilimo.

Iš viso to išplaukia išvada apie protonų ir neutronų mases. „Be šių skaičių žmonės neegzistuotų,“ sako Zoltánas Fodoras iš Wuppertalio universiteto Vokietijoje.

Bet iš kur jie atsirado?

Į šį klausimą velnioniškai sunku atsakyti. Pusę amžiaus žinojome, kad protonai ir neutronai nėra fundamentalios dalelės, o sudarytos iš smulkesnių, vadinamųjų kvarkų. Yra šeši kvarkų tipai: aukštyn (up), žemyn (down), keistasis (strange), žavusis (charm), apatinis (bottom) ir viršutinis (top). Protonas susideda iš uud, neutronas – udd.

Žemyn kvarkai yra kiek sunkesni už aukštyn kvarkus, bet nesitikėkite, kad tai paaiškina papildomą neutronų masę: abiejų kvarkų masės yra nykštukinės. Sunku pasakyti tiksliai, kokio mažumo, kadangi kvarkai niekada nebūna vieni (žr. „Kvarkų keistumai“), bet aukštyn kvarko masė 2 – 3 MeV, o žemyn kvarko galbūt dvigubai didesnė – menkutė bendros neutronų ar protonų masės dalis.

Tikslus papildomo neutronų bagažo dydis irgi svarbus. Paprasčiausias atomas vandenilio – vienas protonas ir vienas apie jį skriejantis elektronas. Vandenilis buvo sukurtas per Didįjį sprogimą, paskui tapo kuru pirmųjų žvaigždžių branduoliuose vykusių termobranduolinės sintezės reakcijų, sukūrusių daugumą likusių cheminių elementų. Jei protonų ir neutronų masės skirtumas būtų vos didesnis, sudėtingesnių elementų susidarymui iškiltų energijos barjerai, kuriuos būtų „sunku arba neįmanoma“ įveikti, sako Frankas Wilczekas iš MIT. Visata būtų užstrigusi su vandeniliu.

Bet jei masių skirtumas būtų dar kiek mažesnis, vandenilis būtų spontaniškai virtęs inertišku, nereaguojančiu heliu dar prieš žvaigždžių susiformavimą – ir kosmosas būtų taip pat nuviliančiai vangus. Sumažinus skirtumą dar šiek tiek, vandenilio atomai transformuotųsi per inversinio beta skilimu procesą į neutronus ir kitas neutralias daleles – neutrinus. Bingo, nebūtų išvis jokių atomų.

Kaip visos fundamentalios dalelės, kvarkai masę gauna dėl sąveikos su klampiuoju, visa persmelkiančiu Higgso lauku, dalyku, sudarančiu Higgso bozonus. Bet iš daugelio kvarkų sudarytos materijos masės paaiškinimui aiškiai reikia dar kažko.

Atsakymą pateikia kvantinė chromodinamika, arba QCD. Kaip dalelės turi elektrinį krūvį, reaguojantį į elektromagnetinę jėgą, kvarkai turi vieną iš trijų „spalvos krūvių“ paaiškinančių jų sąveiką su kita fundamentaliąja sąveika – stipriąja branduoline. QCD yra stipriosios sąveikos teorija, ir ji velnioniškai sudėtinga.

Elektrinį krūvį turinčios dalelės veikia, apsikeisdamos bemasiais fotonais. Panašiai ir spalvos krūvį turinčios dalelės susisieja ir sudaro materiją, tokią kaip protonai ir neutronai, apsikeisdami dalelėmis, vadinamais gliuonais. Nors gliuonai masės neturi, jie turi energijos. Negana to, pagal garsiąją Einšteino formulę E = mc², ta energija gali būti konvertuota į kvarkų (ir jų antimaterinių atitikmenų) putas be jau minėtų neutronuose ir protonuose sėdinčių trijų. Pagal kvantų fizikos neapibrėžtumo principą, šios papildomos dalelės nuolat atsiranda ir pranyksta.

Stengdamiesi sutvarkyti šį kvantinį jovalą, per pastaruosius keturis dešimtmečius dalelių teoretikai išrado ir ištobulino vadinamąją struktūrinę QCD. Labai panašiai, kaip meteorologai ir klimatologai stengiasi simuliuoti sūkuriuojančius Žemės atmosferos sudėtingumus, supaprastindami ją iki trimačių taškų masyvų, nutolusių vienas nuo kito per kilometrą, struktūrinė QCD supaprastina nukleono vidų iki simuliuojamo erdvėlaikio gardelės taškų, nutolusių vienas nuo kito per dešimtis femtometrų. Kvarkai įsitaisę gardelės kampuose, o gliuonai juda išilgai kraštinių. Sumuojant visų kraštinių sąveikas ir jų kitimą, pamažu susidaro nukleonų, kaip visumos, veikimo paveikslas.

Bėda tik, kad netgi su kukliu gardelės taškų skaičiumi, – tarkime, 100×100×100 taškų, atskirtų viena dešimtąja femtometro – atsiranda labai daug sąveikų ir struktūrinės QCD simuliacijoms reikia pasakiškos skaičiavimo galios. Reikalus komplikuoja ir tai, kad dėl tikimybinės kvantų fizikos rezultatų prigimties, norint gauti „vidutinį“ atsakymą, simuliacijas reikia atlikti tūkstančius kartų. Norėdami išsiaiškinti, iš kur randasi proto ir neutrono masės, Fodoras su kolegomis turėjo pasinaudoti dviem IBM Blue Gene superkompiuteriais ir dviem paskirstytus skaičiavimus atliekančių procesorių rinkiniais.

Persilaužimas įvyko 2008 m., kai jie pagaliau apskaičiavo abiejų nukleonų masę ir gavo 936 MeV, ±25 MeV – daugmaž tiksliai (Science, vol 322, p 1224). Tai patvirtino, kad kvarkų ir gliuonų sąveikos energijos sudaro mums pažįstamos materijos masės liūto dalį. Gal jaučiatės kietas, tačiau 99% procentus sudaro energija.

Bet šių skaičiavimų tikslumo toli gražu nepakako nustatyti tokį svarbų skirtumą tarp neutronų ir protonų masių, kuris tebebuvo 40 kartų mažesnis už gautų rezultatų nepatikimumą. Be to, skaičiavimuose nebuvo atsižvelgta į elektrinio krūvio efektus, kurie yra kitas energijos, taigi ir masės, šaltinis. Visi laikinieji kvarkai ir antikvarkai nukleonuose turi elektros krūvį, suteikiantį jiems „nuosavos energijos“, prisidedančios prie jų masės. Neatsižvelgus į šiuos efektus, kvarkų masių nustatymą galima pamiršti. Kalbėti, kad viena sudedamoji dalelė masyvesnė už kitą dėl kvarkų masių skirtumo yra „grubi karikatūra“, sako Wilczekas, pasidalijęs Nobelio premijos laimėjimu 2004 m. už savo QCD vystymo dalį.

Subtilios protonų ir neutronų masės skirtumo šaknys glūdi ne tik QCD, bet ir elektromagnetinę sąveiką aprašančios kvantinės elektrodinamikos (QED) lygčių sprendimuose. Ir tai yra kraupiausias teoretiko košmaras. „Beprotiškai sunku sutalpinti QED ir QCD viename modelyje,“ sako Fodoras. Elektromagnetinė sava energija netgi negali būti apskaičiuota tiesiogiai. Ribotoje gardelės simuliacijoje jos sąveikos sukuria begalybę – matematinį efektą, primenantį nesibaigiantį aidą katedroje.

Fodoro ir kolegų naujas susijęs su QED lygčių sprendimu įvairioms kvarkų kombinacijoms skirtinose subatominėse dalelėse. Gaunami nedidelis skirtumai naudojami vietoje skaičiavimų, kuriuose gaunamos begalybės, rezultatų, ir taip gaunama protono ir neutrono masių skirtumo vertė (Science, vol 347, p 1452).

Komandos gautas skaičius atitiko išmatuotą dydį, nors paklaida tebebuvo apie 20 procentų. Kaip bebūtų, tai svarbus pasiekimas, sako Sachrajda. Wilczekui atrodo panašiai. „Manau, tai jaudinantis rezultatas,“ sako jis. „Tai galios parodymas.“

Jums gali kilti logiškas klausimas, kokia nauda skaičiuoti jau išmatuotas vertes. Tačiau be šio skaičiaus egzistencinio intereso, Wilczeką jaudina galimybė, kad dabar galime apskaičiuoti pačius visatos veikimo pagrindus, ko anksčiau padaryti negalėjome.

Paimkime, pavyzdžiui, vidinius procesus didžiulių žvaigždžių, sprogstančių kaip supernovos – įvykių, pasėjusių visatoje elementus, sunkesnius už vandenilį ir helį. Negalėjimas apjungti QED ir QCD reiškė, kad negalėjome padaryti ką daugiau, nei skėsčioti rankomis į tokius klausimus kaip laikas, per kurį susiformavo pirmi sunkieji elementai – ir negalėjome pasidaryti žvaigždės savo idėjų patikrinimui. „Sąlygos tokios ekstremalios, kad negalime jų atkurti laboratorijoje,“ sako Wilczekas. „Dabar galėsime jas užtikrintai apskaičiuoti.“

Pažanga gali padėti išsklaidyti kai kuriuos fundamentaliąją fiziką supančius neaiškumus. LHC 2012-aisiais atrastas Higgso bozonas, ir kol kas nieko daugiau, palieka daug atvirų klausimų. Kodėl po Didžiojo sprogimo materija nugalėjo antimateriją? Kodėl protonų ir elektronų krūviai taip idealiai atitinka vienas kitą, nors dalelės tokios skirtingos? „Mums reikia naujos fizikos ir tokios simuliacijos kaip mūsiškė, gali padėti,“ sako Kálmánas Szabó, vienas iš Fodoro Wuppertalio bendradarbių. „Galime lyginti eksperimentus su mūsų tikslia teorija ir ieškoti procesų, rodančių, kas vyksta už standartinės fizikos.“

Atviras kelias

Sachrajda'ui tokios skaičiavimo galimybės atsirado kaip tik laiku, nes LHC vėl paleidžiamas tyrinėti dar aukštesnės energijos dalelių sąveikų. „Visi tikimės, kad jis pateiks vienareikšmį ko nors naujo signalą,“ Sako jis. „Bet vis vien reikės suprasti tai pagrindžiančią teoriją, ir visam tam būtinas toks tikslumas.“

Jei tai tebeskamba pernelyg pretenzingai, verta atminti, kaip dabartinės technologijos kilo iš vis gilesnio materijos supratimo. Maždaug prieš šimtmetį, buvome vos prisilietę prie atomo – supratimo, kuriuo remiantis buvo sukurti kompiuteriai ir lazeriai. Tada pažvelgėme į atomo branduolį, su visais technologiniais šio žinojimo pliusais ir minusais – elektrinėmis, vėžio terapija, branduolinėmis bombomis.

Gilinimasis į protonus ir neutronus reiškia kitą lygį, ir potencialiai turtingą gyslą. Gliuonai savo spalvų krūvių sąveikoje yra daug labiau sužadinami, nei fotonai elektromagnetinėje sąveikoje, tad gali būti, kad manipuliavimas spalvos krūvio dalelėmis gali suteikti daug daugiau energijos, nei terliojimasis atomų mastelyje. „Manau, galimybė galingais rentgeno spindulių ar gama spindulių šaltiniais ištirti sudėtingą branduolio fiziką yra spekuliatyvi, tačiau ne beprotiškai,“ sako Wilczekas.

Gliuonai, kitaip nei fotonai, sąveikauja ir tarpusavyje, tad tai galėtų reikšti jų tarpusavio susiejimą į vingiuojantį energijos stiebą – iš čia ir Wilczeko nerimtas pasiūlymas iš jų padaryti Star Wars stiliaus šviesos kardą. Filmo fanų apmaudui, tikriausiai artimesnė geresnio energijos gavimo ir saugojimo perspektyva. „Branduoliai gali sukimšti daug energijos mažoje erdvėje,“ sako Wilczekas. „Jei galėtume vykdyti išties tikslią branduolinę chemiją skaičiavimais, o ne bandymų ir klaidų metodais, labai gali būti, tai nuvestų prie labai talpios energijos saugyklos.“

Fodoras mano, kad tai dar tolima ateitis – bet su dabar pasiekiamu skaičiavimų tikslumu kelias pagaliau atviras. „Dabar tai veikiau primena svajones, bet dabar bent jau galime tas svajones apibrėžti,“ sako jis. „Pasiekėme lygį, kai šios technologinės idėjos darosi įmanomos.“

Išties, sveiki atvykę kvarkų amžiun.