Θεωρία χορδών.

Αλληλεπίδραση στον υποατομικό κόσμο: οι κοσμικές γραμμές των σημειακών σωματιδίων στο Καθιερωμένο Μοντέλο και τα κοσμικά σεντόνια που δημιουργούνται από τις κλειστές χορδές στη Θεωρία Χορδών.


Οι Θεωρίες Χορδών είναι μοντέλα της φυσικής στα οποία τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία είναι μονοδιάστατα εκτεταμένα αντικείμενα (Χορδές), σε αντίθεση με την παραδοσιακή έννοια των σημειακών και αδιάστατων στοιχειωδών σωματιδίων. Οι θεωρίες χορδών αποφεύγουν με αυτό τον τρόπο τα προβλήματα και τις ανωμαλίες που προκύπτουν στις φυσικές θεωρίες λόγω της σημειακής φύσης των σωματιδίων. Στη μελέτη των θεωριών χορδών περιλαμβάνονται όχι μόνο μονοδιάστατα αντικείμενα, αλλά και αντικείμενα περισσότερων διαστάσεων, που καλούνται βράνες. Πρέπει να σημειωθεί, ωστόσο, ότι μέχρι σήμερα δεν έχει υπάρξει πειραματική επαλήθευση της θεωρίας χορδών.





Γενική περιγραφή

Η έρευνα γύρω από τη θεωρία χορδών αποσκοπεί στην εξαγωγή μιας θεωρίας των πάντων. Είναι προς το παρόν η μόνη αξιόπιστη θεωρία κβαντικής βαρύτητας, η οποία μπορεί εξίσου καλά να περιγράψει και τις ηλεκτρομαγνητικές και τις άλλες θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις. Στη θεωρία υπερχορδών περιλαμβάνονται και τα φερμιόνια, οι θεμελιώδεις δομικοί λίθοι της ύλης. Δεν είναι, πάντως, ακόμη γνωστό αν η θεωρία υπερχορδών είναι η ακριβής θεωρία του σύμπαντος, ούτε τα περιθώρια των τιμών των φυσικών σταθερών που προβλέπει.

Το γεγονός ότι ο κόσμος είναι 4-διάστατος έρχεται εκ πρώτης όψεος σε αντίθεση με τις 10 ή 11 διαστάσεις της θεωρίας. Οι πιθανές απαντήσεις σ'αυτό το παράδοξο είναι δύο: Μία πιθανή απάντηση είναι ότι οι υπόλοιπες 6 ή 7 διαστάσεις είναι τόσο μικρές ώστε δεν είναι δυνατό να παρατηρηθούν. Στην 6-διάστατη περίπτωση αναφέρονται οι υπερχώροι Calabi-Yau. Στις 7 διαστάσεις αναφέρονται οι χώροι πολλαπλότητας G2. Η δεύτερη πιθανή απάντηση λύση είναι ότι είμαστε δεσμευμένοι σε μία υπερ-μεμβράνη του πλήρους σύμπαντος τεσσάρων χωροχρονικών διαστάσεων. Η λύση αυτή είναι γνωστή ως brane-world theory. [1][2] Αξίζει να σημειωθεί ότι ορισμένες εκδοχές αυτής της θεωρίας οδηγούν σε προβλέψεις που θα μπορέσουν να ελεγχθούν απο πειραματικές μετρήσεις κβαντικής βαρύτητας που θα γίνουν στον επιταχυντή LHC του διεθνούς ερευνητικού κέντρου CERN της Γενεύης, ο οποίος έχει ήδη αρχίσει τη λειτουργία του.





Θεωρίες και δυϊσμοί

Υπάρχουν 2 κύριες θεωρίες χορδών, η μποζονική θεωρία χορδών σε 26 διαστάσεις και η Υπερσυμμετρική Θεωρία Χορδών σε 10 διαστάσεις. Σήμερα, ο όρος θεωρία χορδών αναφέρεται στην Υπερσυμμετρική θεωρία χορδών ή Θεωρία Υπερχορδών. Μια σημαντική ερευνητική ανακάλυψη που έγινε στη δεκαετία του 1990 ήταν το ότι οι διάφορες θεωρίες υπερχορδών μπορούν να προκύψουν σαν οριακές περιπτώσεις από μια σχετικά άγνωστη 11-διάστατη θεωρία που ονομάστηκε Θεωρία-Μ (M-Theory).[3]



Θεωρίες Χορδών

Τύπος Χωροχρονικές διαστάσεις Λεπτομέρειες

Μποζονική 26 Μόνο μποζόνια, όχι φερμιόνια, όχι ύλη, με ανοικτές και κλειστές χορδές. Βασικό μειονέκτημα: ένα σωματίδιο με φανταστική μάζα, που ονομάζεται ταχυόνιο.



I 10 Υπερσυμμετρία μεταξύ των δυνάμεων και της ύλης, με ανοικτές και κλειστές χορδές, όχι ταχυόνια, η ομάδα συμμετρίας είναι η SO(32).



IIA 10 Υπερσυμμετρία μεταξύ των δυνάμεων και της ύλης, με ανοικτές και κλειστές χορδές, όχι ταχυόνια, άμαζα φερμιόνια με διπλή ελικότητα (nonchiral).



IIB 10 Υπερσυμμετρία μεταξύ των δυνάμεων και της ύλης, με ανοικτές και κλειστές χορδές, όχι ταχυόνια, άμαζα φερμιόνια με μονή ελικότητα (chiral).



HO 10 Υπερσυμμετρία μεταξύ των δυνάμεων και της ύλης, με ανοικτές και κλειστές χορδές, όχι ταχυόνια, ετεροτική, που σημαίνει ότι οι χορδές που κινούνται δεξιόστροφα διαφέρουν με αυτές που κινούνται αριστερόστροφα, η ομάδα συμμετρίας είναι η SO(32).



HE 10 Υπερσυμμετρία μεταξύ των δυνάμεων και της ύλης, με ανοικτές και κλειστές χορδές, όχι ταχυόνια, ετεροτική, που σημαίνει ότι οι χορδές που κινούνται δεξιόστροφα διαφέρουν με αυτές που κινούνται αριστερόστροφα, η ομάδα συμμετρίας είναι η E8×E8.



Πριν τη δεκαετία του '90, οι πέντε διαφορετικοί τύποι θεωριών χορδών έμοιαζαν ασύνδετες μεταξύ τους. Στο ετήσιο συνέδριο των φυσικών πάνω στη θεωρία χορδών που πραγματοποιήθηκε το 1995, ο Έντουαρντ Βίτεν πρότεινε πως οι διαφορετικοί αυτοί τύποι μπορούν ίσως να προκύψουν ως οριακές περιπτώσεις μιας άγνωστης ακόμη 11-διάστατης θεωρίας που ονομάστηκε θεωρία-Μ.

Ανακαλύφθηκαν επίσης κάποιες σχέσεις που ονομάζονται δυϊσμοί (dualities), και οι οποίες δείχνουν ότι οι 5 διαφορετικές θεωρίες χορδών συνδέονται άμεσα μεταξύ τους, σε χαμηλά ή υψηλά όρια διαφόρων σταθερών, δίνοντας έτσι τα ίδια ακριβώς αποτελέσματα. Οι δυϊσμοί αυτοί είναι ο S-δυϊσμός, ο Τ-δυϊσμός και ο U-δυϊσμός.





Προβλήματα της θεωρίας χορδών

Η θεωρία χορδών δεν έχει μέχρι στιγμής επιτύχει να κάνει ποσοτικές προβλέψεις που θα μπορούσαν να επαληθευθούν πειραματικά. Επικριτές της θεωρίας υποστηρίζουν μάλιστα ότι η θεωρία δεν είναι δυνατό ούτε να επαληθευτεί ούτε να απορριφθεί. Οι υποστηρικτές της αντιλέγουν ότι η θεωρία χορδών έχει ήδη κάνει πληθώρα νέων προβλέψεων: α) Έξτρα διαστάσεις. Η πρόβλεψη αυτή αποτελεί αντικείμενο πολλών εξελισσόμενων πειραμάτων παγκοσμίως. β) Νέα σωματίδια με μάζες συγκρίσιμες της μάζας του Planck. γ) Υπερσυμμετρία-υπερβαρύτητα. Η ύπαρξη ή όχι υπερσυμμετρικών σωματιδίων θα αποτελέσει το αντικείμενο σειράς πειραμάτων που αναμένεται να αρχίσουν σύντομα στον επιταχυντή LHC του CERN.

Η διατύπωση της θεωρίας υπερχορδών έχει γίνει με βάση σειράς διαταραχών, και όχι ως ακριβώς διατυπωμένη θεωρία. Παρόλο που υπάρχει αρκετή πρόοδος προς μια μη-διαταρακτική διατύπωση, και υποθέσεις για πλήρεις ορισμούς στο χωροχρόνο που ικανοποιούν ορισμένες ασύμπτωτες, δεν έχει διατυπωθεί ακόμη μια πλήρης μη-διαταρακτική θεωρία υπερχορδών.





] Επιτυχίες της θεωρίας υπερχορδών

• Σημαντικότατες συνεισφορές σε διάφορους κλάδους των μαθηματικών.

o Συμμετρία κατόπτρου (mirror symmetry).

o Σημαντικές ανακαλύψεις στην Θεωρία κόμβων (knot theory).

o Μελέτη των χώρων Calabi-Yau.

o Πρόσφατες συνεισφορές στο πρόγραμμα Langlands. [4]

• Μικροσκοπική απόδειξη της εξίσωσης Bekenstein-Hawking για την εντροπία των μελανών οπών.[5]

• Σημαντική πρόοδο στην κατανόηση ορισμένων ισχυρά συζευγμένων θεωριών πεδίου, μέσω του δυϊσμού σύμμορφης θεωρίας πεδίου--βαρύτητας AdS.[6]

• Σημαντική πρόοδο στη μελέτη των υπερσυμμετρικών θεωριών βαθμίδας, στις οποίες περιλαμβάνονται και πιθανές επεκτάσεις του Τυποποιημένου Μοντέλου.





Θεωρία Μ-χορδών

Εισαγωγή-Το καθιερωμένο πρότυπο

Στο καθιερωμένο πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής, τα σωματίδια θεωρούνται σημεία που κινούνται μέσα στο χώρο, που επισημαίνονται με μια γραμμή που αποκαλείται Κοσμική Γραμμή. Για να λάβει υπόψη τις διαφορετικές αλληλεπιδράσεις που παρατηρούνται στη Φύση κάποιος πρέπει να παράσχει στα σωματίδια περισσότερους βαθμούς ελευθερίας, όχι μόνο τη θέση και τη ταχύτητά τους, αλλά τη μάζα, το ηλεκτρικό φορτίο, το χρώμα (που είναι ιδιότητα που συνδέεται με την ισχυρή αλληλεπίδραση) ή το spin.

Το καθιερωμένο πρότυπο σχεδιάστηκε μέσα ένα πλαίσιο γνωστό ως Κβαντική Θεωρία Πεδίου (QFT), η οποία μας δίνει τα εργαλεία για να χτίσει τις θεωρίες σύμφωνες και με την Κβαντικούς Μηχανική και την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας. Με αυτά τα εργαλεία, χτίστηκαν θεωρίες που περιγράφουν με μεγάλη επιτυχία τις τρεις από τις τέσσερις γνωστές αλληλεπιδράσεις στην Φύση: Ο ηλεκτρομαγνητισμός, οι ισχυρές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις. Επιπλέον, επιτεύχθηκε μια πολύ επιτυχής ενοποίηση μεταξύ του ηλεκτρομαγνητισμού και της ασθενούς δύναμης (θεωρία Electroweak), και υπάρχουν υποσχέσεις για ιδέες που θα συμπεριλάβουν την ισχυρή δύναμη. Αλλά δυστυχώς η τέταρτη αλληλεπίδραση, η βαρύτητα, που περιγράφεται υπέροχα από τη Γενική Σχετικότητα (GR) του Einstein, δεν φαίνεται να ταιριάζει σε αυτό το σχέδιο. Όποτε κάποιος προσπαθεί να εφαρμόσει τους κανόνες QFT σε GR παίρνει αποτελέσματα που δεν έχουν κανένα νόημα. Παραδείγματος χάριν, η δύναμη μεταξύ δύο γκραβιτονίων (τα σωματίδια που μεσολαβούν των αλληλεπιδράσεων της βαρύτητας), γίνεται άπειρη και δεν ξέρουμε πώς να ξεφορτωθούμε αυτό το άπειρο για να πάρουμε τα φυσικά λογικά αποτελέσματα.

Θεωρία χορδής

Στη θεωρία χορδής, η μυριάδα των σωματιδιακών τύπων αντικαθίσταται από μια ενιαία θεμελιώδη δομική μονάδα, τη 'χορδή". Αυτές οι χορδές μπορούν να είναι κλειστές, όπως οι βρόχοι, ή να είναι ανοικτοί, όπως μια τρίχα. Καθώς η χορδή κινείται μέσω του χρόνου σχεδιάζει έναν σωλήνα ή ένα φύλλο, σύμφωνα με το εάν είναι κλειστή ή ανοικτή. Επιπλέον, η χορδή είναι ελεύθερη να δονηθεί, και οι διαφορετικοί τρόποι δόνησης της χορδής αντιπροσωπεύουν τους διαφορετικούς τύπους των σωματιδίων, δεδομένου ότι οι διαφορετικοί τρόποι θεωρούνται ως διαφορετικές μάζες ή spins.

Ένας τρόπος δόνησης, ή "note", κάνει τη χορδή να εμφανιστεί ως ηλεκτρόνιο, ή αλλιώς ως φωτόνιο. Υπάρχει ακόμη και ένας τρόπος που περιγράφει το βαρυτόνιο, το σωματίδιο που μεταφέρει τη δύναμη της βαρύτητας, το οποίο είναι ένας σημαντικός λόγος για τον οποίο η θεωρία χορδής έχει τραβήξει τόση πολλή προσοχή. Το αξιοσημείωτο είναι ότι μπορούμε να αισθανθούμε την αλληλεπίδραση δύο γκραβιτονίων στη θεωρία της χορδής με έναν τρόπο που δεν θα μπορούσαμε στην QFT. Δεν υπάρχουν απειρισμοί!

Και η βαρύτητα δεν είναι κάτι που την υπολογίζουμε ξεχωριστά. Υπάρχει θέση για αυτήν στην θεωρία των χορδών.

Έτσι, το πρώτο μεγάλο επίτευγμα της θεωρίας χορδής ήταν να δοθεί μια συνεπής θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, η οποία μοιάζει με την Γενική Σχετικότητα -GR- στις μακροσκοπικές αποστάσεις. Επιπλέον η θεωρία χορδής κατέχει επίσης τους αναγκαίους βαθμούς ελευθερίας για να περιγραφούν οι άλλες αλληλεπιδράσεις! Σε αυτό το σημείο μια μεγάλη ελπίδα που δημιουργήθηκε ήταν πως η Θεωρία της Χορδής θα ήταν σε θέση να ενοποιήσει όλες τις γνωστές δυνάμεις και τα σωματίδια μαζί σε μια ενιαία "Θεωρία των Πάντων".





Από τις χορδές στις υπερχορδές

Τα γνωστά σωματίδια στη Φύση είναι ταξινομημένα σύμφωνα με το spin τους σε μποζόνια-bosons (ακέραιο spin) ή σε φερμιόνια-fermions (περιττό spin). Τα πρώτα είναι αυτά που μεταφέρουν τις δυνάμεις, παραδείγματος χάριν, το φωτόνιο, το οποίο φέρει τη ηλεκτρομαγνητική δύναμη, το γκλουόνιο-gluon, που φέρει την ισχυρή πυρηνική δύναμη, και το γκραβιτόνιο-graviton, το οποίο φέρνει τη δύναμη της βαρύτητας. Τα τελευταία αποτελούν την ύλη που αποτελούμαστε, όπως το ηλεκτρόνιο ή το quark. Η αρχική θεωρία της χορδής περιέγραψε μόνο τα σωματίδια που ήταν μποζόνια-bosons, ως εκ τούτου ήταν μια θεωρία χορδής μποζονίων . Δεν περιέγραφε φερμιόνια. Έτσι τα quarks και τα ηλεκτρόνια, παραδείγματος χάριν, δεν περιλήφθηκαν στη θεωρία χορδής μποζονίων.

Με την εισαγωγή της υπερσυμμετρίας στη θεωρία χορδής μποζονίων, μπορούμε να λάβουμε μια νέα θεωρία που περιγράφει και τις δυνάμεις και την ύλη που αποτελούν τον κόσμο. Αυτή είναι η θεωρία των υπερχορδών . Υπάρχουν τρεις διαφορετικές θεωρίες υπερχορδών που έχουν νόημα, δηλ. δεν επιδεικνύουν καμία μαθηματική ασυνέπεια. Σε δύο από αυτές το θεμελιώδες αντικείμενο είναι μια κλειστή χορδή, ενώ στην τρίτη, οι ανοικτές χορδές είναι οι δομικές μονάδες. Επιπλέον, αναμιγνύοντας τα καλύτερα χαρακτηριστικά γνωρίσματα της χορδής μποζονίων, μπορούμε να δημιουργήσουμε δύο άλλες συνεπείς θεωρίες των σειρών, τις ετεροτικές-heterotic θεωρίες χορδής.

Εντούτοις, αυτή η αφθονία θεωριών των χορδών ήταν ένας γρίφος: Εάν ψάχνοντας για την Θεωρία των Πάντων, είχαμε τελικά πέντε από αυτές, αυτό είναι μια αμηχανία πλούτων! Ευτυχώς, η Μ-θεωρία ήρθε για να μας σώσει.

Πρόσθετες διαστάσεις...

Μια από τις πιό αξιοπρόσεκτες προβλέψεις της θεωρίας χορδής είναι ότι ο χωρόχρονος έχει δέκα διαστάσεις! Εκ πρώτης όψεως, αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως λόγος για να αποσυρθεί η θεωρία συνολικά, δεδομένου ότι προφανώς έχουμε μόνο τρεις διαστάσεις, του χώρου και μιας του χρόνου. Εντούτοις, εάν υποθέσουμε ότι έξι από αυτές τις διαστάσεις διπλώνουν πολύ σφικτά, κατόπιν τούτου, δεν μπορούμε ποτέ να γνωρίζουμε την ύπαρξή τους. Επιπλέον, η ύπαρξη αυτών των αποκαλούμενων συμπαγών διαστάσεων είναι πολύ ευεργετική εάν η θεωρία χορδής πρόκειται να περιγραφεί σαν μια θεωρία των πάντων. Η ιδέα είναι ότι οι βαθμοί ελευθερίας όπως το ηλεκτρικό φορτίο ενός ηλεκτρονίου θα προκύψουν έπειτα απλά ως κίνηση στις πρόσθετες συμπαγείς κατευθύνσεις! Η ιδέα ότι οι συμπαγείς διαστάσεις μπορούν να οδηγήσουν στην ενοποίηση των θεωριών δεν είναι νέα, αλλά χρονολογείται από τη δεκαετία του '20, από τη θεωρία των Kaluza και Klein. Από μία άποψη, η θεωρία χορδής είναι η τελευταία θεωρία Kaluza-Klein.

Για την απλότητα, συνήθως υποτίθεται ότι οι πρόσθετες διαστάσεις είναι τυλιγμένες επάνω σε έξι κύκλους. Για ρεαλιστικά αποτελέσματα αυτές αντιμετωπίζονται όπως σαν να είναι τυλιγμένες επάνω σε μαθηματικές επεξεργασίες γνωστές ως Calabi-Yau Manifolds και Orbifolds.

Μ-θεωρία

Εκτός από το γεγονός ότι αντί μιας υπάρχουν πέντε διαφορετικές, υγιείς θεωρίες των χορδών (τρεις υπερχορδών και δύο ετεροτικές χορδές) υπήρξε μια άλλη δυσκολία στη μελέτη αυτών των θεωριών: δεν είχαμε κατάλληλα εργαλεία για να ερευνήσουμε τη θεωρία σε όλες τις πιθανές τιμές των παραμέτρων θεωρητικά. Κάθε θεωρία ήταν όπως ένας μεγάλος πλανήτης για τον οποίο ξέραμε μόνο ένα μικρό νησί κάπου πάνω στον πλανήτη.

Αλλά κατά τη διάρκεια των τελευταίων τεσσάρων ετών, αναπτύχθηκαν τεχνικές για να ερευνήσουν τις θεωρίες πιό λεπτομερώς, με άλλα λόγια, να ταξιδεψουν γύρω από τις θάλασσες σε κάθε έναν από εκείνους τους πλανήτες και να βρούν νέα νησιά. Και μόνο έπειτα από αυτό συνειδητοποιήθηκε ότι εκείνες οι πέντε θεωρίες χορδής είναι στην πραγματικότητα νησιά στον ίδιο πλανήτη, όχι διαφορετικού πλανήτη.

Κατά συνέπεια υπάρχει μια ελλοχεύουσα θεωρία της οποίας όλες οι θεωρίες χορδής είναι μόνο διαφορετικές πτυχές (όψεις). Αυτό κλήθηκε Μ-θεωρία. Το Μ μπορεί να αντιπροσωπεύει την Μητέρα όλων των θεωριών ή του Μυστηρίου, επειδή ο πλανήτης που εμείς καλούμε θεωρία-Μ είναι ακόμα κατά ένα μεγάλο μέρος ανεξερεύνητος.



Υπάρχει ακόμα μια τρίτη δυνατότητα για το Μ για την Θεωρία-Μ. Ένα από τα νησιά που βρέθηκε στον πλανήτη Θεωρίας-Μ αντιστοιχεί σε μια θεωρία που οι ζωές δεν είναι σε 10 αλλά σε 11 διαστάσεις. Αυτό φαίνεται να μας λέει ότι η Μ-θεωρία πρέπει να αντιμετωπισθεί ως μια θεωρία 11-διαστάσεων που φαίνεται σαν 10-διαστάσεων σε μερικά σημεία στο χώρο των παραμέτρων της. Μια τέτοια θεωρία θα μπορούσε να έχει ως θεμελιώδες αντικείμενο μια Μεμβράνη, σε αντιδιαστολή με μια χορδή. Ετσι οι μεμβράνες μοιάζουν με χορδές όταν τυλίγουμε την 11η διάσταση σε έναν μικρό κύκλο.

Μαύρες τρύπες της Θεωρίας-Μ

Οι μαύρες τρύπες έχουν μελετηθεί για πολλά έτη ως διαμορφώσεις του χωρόχρονου στην Γενική Σχετικότητα (GR), που αντιστοιχούν σε πολύ ισχυρά βαρυτικά πεδία. Αλλά δεδομένου ότι δεν μπορούμε να χτίσουμε μια συνεπή κβαντική θεωρία από την GR, διάφοροι γρίφοι αυξήθηκαν σχετικά με τη μικροσκοπική φυσική των μαύρων τρυπών.

Ένας από τους πιό σκοτεινούς γρίφους αφορούσε την εντροπία των μαύρων τρυπών. Στη θερμοδυναμική, η εντροπία είναι η ποσότητα που μετρά τον αριθμό των καταστάσεων ενός συστήματος που όμως φαίνονται ίδιες. Ένα πολύ ακατάστατο δωμάτιο έχει μια μεγάλη εντροπία, δεδομένου ότι κάποιος μπορεί να κινήσει κάτι στο πάτωμα από τη μια πλευρά του δωματίου προς την άλλη και κανένας δεν θα το παρατηρήσει λόγω της αταξίας - είναι ισοδύναμες καταστάσεις. Σε ένα πολύ καθαρό όμως δωμάτιο, εάν αλλάξετε κάτι, αυτό θα είναι αξιοπρόσεχτο, δεδομένου ότι όλα έχουν τη θέση τους. Έτσι συνδέουμε την εντροπία με την αναταραχή-αταξία. Οι Μαύρες Τρύπες έχουν μια τεράστια αταξία. Εντούτοις, κανένας δεν ήξερε πως οι καταστάσεις συνδέονται με την εντροπία της μαύρης τρύπας.

Τα τελευταία τέσσερα έτη έφεραν μεγάλο ενθουσιασμό σε αυτήν την περιοχή. Παρόμοιες τεχνικές με αυτές που χρησιμοποιούνται για να βρούν τα νησιά της Μ-θεωρίας, επέτρεψαν σε μας να εξηγήσουμε ακριβώς ποιές καταστάσεις αντιστοιχούν στην αταξία μερικών μαύρων τρυπών, και να εξηγήσουμε με τη χρησιμοποίηση της θεμελιώδους θεωρίας τις θερμοδυναμικές ιδιότητες που εξάγονταν προηγουμένως χρησιμοποιώντας όμως λιγότερα άμεσα ορίσματα.

Πολλά άλλα προβλήματα είναι ακόμα ανοικτά, αλλά η εφαρμογή της θεωρίας χορδής στη μελέτη των μαύρων τρυπών υπόσχεται να είναι ένα από τα πιό ενδιαφέροντα θέματα για τα επόμενα έτη.





Οι θεωρίες χορδής

Οι θεωρίες της υπερχορδής επιλύουν-αναλύουν το πιό αινιγματικό πρόβλημα της θεωρητικής φυσικής του εικοστού αιώνα: Τη μαθηματική ασυμφωνία των δύο θεμελιωδών πυλώνων της Φυσικής δηλαδή της κβαντικής μηχανικής και της γενικής θεωρίας της σχετικότητας.

Για να το κάνουν αυτό, οι θεωρίες της χορδής τροποποιούν την άποψη που έχουμε για να κατανοούμε το χωρόχρονο και τη βαρυτική δύναμη.

Η ρίζα των θεωριών αυτών ανάγεται στα τέλη της δεκαετίας του 1960, και αναπτύχθηκε από τον Gabrielle Veneziano με σκοπό να κατανοηθεί η ισχυρή πυρηνική δύναμη, που όμως απέτυχε. Αργότερα στα μέσα της δεκαετίας του 1970 οι John Schwarz και Joel Scherk ξεκίνησαν oι ιδέες να χρησιμοποιηθούν οι χορδές στη βαρύτητα και στην ενοποίηση των δυνάμεων.

Πως άρχισε η ιστορία με τις χορδές;

Η σχετικιστική κβαντική θεωρία πεδίου (συνδυασμός κβαντικής μηχανικής και γενικής θεωρίας της σχετικότητας) δουλεύει καλά στη παρατηρούμενες συμπεριφορές και ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων.

Αλλά αυτή η θεωρία αποδίδει μόνο όταν η βαρύτητα είναι τόσο ασθενής που μπορεί να αγνοηθεί και από την άλλη η σωματιδιακή θεωρία δουλεύει μόνο όταν κάνουμε πως δεν υπάρχει η βαρύτητα.

Η Γενική Σχετικότητα έχει αποδώσει πλούσια στη κατανόηση του Σύμπαντος, τις τροχιές των πλανητών, τις εκρήξεις των αστέρων και γαλαξιών, το Big Bang και πρόσφατα τις μαύρες τρύπες και τους βαρυτικούς φακούς. Πάντως η θεωρία αυτή εργάζεται καλά όταν η κβαντική θεωρία δεν χρειάζεται στην περιγραφή της Φύσης.

Έτσι με τις αδυναμίες που παρουσιάζουν οι παραπάνω θεωρίες να επεξεργαστούν όλα τα θέματα που μπαίνουν στη Φυσική (τη βαρύτητα η κβαντική θεωρία και τα κβαντικά φαινόμενα του μικρόκοσμου η γενική θεωρία της σχετικότητας), έρχεται η θεωρία της χορδής που πιστεύεται ότι θα γεφυρώσει αυτό το χάσμα.

Πρωταρχικά, η θεωρία αυτή είχε σκοπό να εξηγήσει την παρατηρούμενη σχέση μεταξύ μάζας και spin για τα αδρόνια (νετρόνια, πρωτόνια κλπ). Σε αυτό απέτυχε αν και Κβαντική Χρωμοδυναμική είχε καλύτερη θεωρία για αυτά.

Αλλά τα σωματίδια στην θεωρία της χορδής εμφανίζονται σαν διεγέρσεις χορδής , και συμπεριλαμβάνουν στις διεγέρσεις αυτές της χορδής και ένα σωματίδιο με μηδενική μάζα και spin=2.

Εαν υπήρχε μια καλή κβαντική θεωρία της βαρύτητας, τότε το σωματίδιο που θα ήταν φορέας της βαρυτικής αλληλεπίδρασης θα είχε μηδενική μάζα και spin=2. Αυτό όμως ήταν γνωστό στους θεωρητικούς φυσικούς από καιρό. Αυτό το θεωρητικό σωματίδιο λέγεται βαρυτόνιο.

Αυτό οδήγησε τους πρώτους θεωρητικούς των χορδής να μην θεωρήσουν την θεωρία της χορδής σαν θεωρία των αδρονίων, αλλά της κβαντικής βαρύτητας.

Αλλά δεν ήταν αρκετό να προβλέψει το βαρυτόνιο η θεωρία της χορδής. Ο οποιοσδήποτε μπορεί να προσθέσει ένα βαρυτόνιο στην κβαντική θεωρία πεδίου, αλλά οι υπολογισμοί που προϋποθέτει για να περιγράψει τη Φύση γίνονται άχρηστοι. Και αυτό γιατί, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων συμβαίνουν σε ένα απλό σημείο του χωρόχρονου, σε μηδενική απόσταση μεταξύ των αντιδρώντων σωματιδίων.







Οι αλληλεπιδράσεις σωματιδιακής φυσικής (αριστερά) συμβαίνουν σε μηδενική απόσταση, αλλά όχι οι αντιδράσεις χορδής (δεξιά).Αυτό είναι που κάνει τη θεωρία της χορδής επιτυχημένη σαν κβαντική θεωρία της βαρύτητας.



Για τα βαρυτόνια, τα μαθηματικά συμπεριφέρονται τόσο άσχημα σε μηδενικές αποστάσεις που οι απαντήσεις δεν είναι ακριβείς. Στην θεωρία της χορδής, οι χορδές συγκρούονται πάνω σε μία μικρή αλλά πεπερασμένη απόσταση, και οι απαντήσεις γίνονται λογικές.

Αυτό δεν σημαίνει πως η θεωρία χορδής δεν είναι χωρίς ελλείψεις. Αλλά η συμπεριφορά μηδενικής απόστασης είναι τέτοια που μπορούμε να συνδυάσουμε κβαντική μηχανική και βαρύτητα., και μπορούμε να κουβεντιάσουμε σχετικά για μια διέγερση της χορδής που μεταφέρει την βαρυτική δύναμη.

Η νέα θεωρία Μ των χορδών

Το 1995 η θεωρία των χορδών αντικαταστάθηκαν από την Μ-Theory. Ο μεγάλος θεωρητικός φυσικός Edward Witten , καθηγητής στο Princeton και ειδικός στις χορδές εξηγεί ότι τo Μ της M-Theory μπορεί να εκληφθεί ως Μαγεία, Μυστήριο, ή Μεμβράνη.

Νέα στοιχεία δείχνουν ότι ίσως είναι η πιο εντυπωσιακή θεωρία από τότε που δημιουργήθηκε η θεωρία των χορδών. Η Μ-Theory παρόμοια με την θεωρία των χορδών βασίζεται στην ιδέα της υπερσυμμετρίας.

Οι φυσικοί χωρίζουν τα σωματίδια σε δυο τάξεις ανάλογα με το λεγόμενο “spin”. Η υπερσυμμετρία απαιτεί ότι για κάθε γνωστό σωματίδιο που έχει ακέραιο spin – 0 , 1 , 2, … - να υπάρχει ένα σωματίδιο με την ίδια μάζα αλλά με spin το μισό του ακεραίου (1/2, 3/2, 5/2,…) και το αντίστροφο.

Όμως, ποτέ μέχρι τώρα δεν έχει βρεθεί καμιά τέτοιου είδους συνύπαρξη τέτοιων υπερσυμμετρικών σωματιδίων. Η συμμετρία (αν υπάρχει) πρέπει να σπάσει προκειμένου να εντοπιστούν από τους τωρινούς επιταχυντές. Ωστόσο οι θεωρητικοί φυσικοί ελπίζουν στην υπερσυμμετρία επειδή δίνει το υπόβαθρο πάνω στο οποίο οι ασθενείς , ισχυρές, και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις μπορούν να ενοποιηθούν με την βαρύτητα.

Η υπερσυμμετρία μετασχηματίζει τις συντεταγμένες του χώρου και του χρόνου έτσι ώστε οι νόμοι της φυσικής να είναι ίδιοι για όλους τους παρατηρητές. Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Einstein στηρίζεται πάνω σε αυτήν την συνθήκη και η υπερσυμμετρία παράγει βαρύτητα.

Στην πραγματικότητα η υπερσυμμετρία παράγει “υπερβαρύτητα” στην οποία ένα σωματίδιο με spin 2 – το γκράβιτον – μεταδίδει βαρυτικές αλληλεπιδράσεις και συνοδεύεται από το γκραβιτίνιον με spin 3/2. Η συμβατική βαρύτητα δεν έχει όρια όσον αναφορά τις πιθανές διαστάσεις του χωροχρόνου. Οι εξισώσεις μπορούν να μετασχηματιστούν σε οποιαδήποτε διάσταση. Όχι όμως και με την υπερβαρύτητα που θέτει ανώτατο όριο τις 11 διαστάσεις του χωροχρόνου.

Το 1962 ο Paul Dirac δημιούργησε ένα φανταστικό μοντέλο βασιζόμενο σε μεμβράνη. Έθεσε την ιδέα ότι ένα ηλεκτρόνιο ήταν στην πραγματικότητα μια κλειστή μεμβράνη γύρω από τον εαυτό του. Οι ταλαντώσεις, όπως πρότεινε ο Dirac, μπορεί να δημιουργήσουν σωματίδια όπως τα μυόνια, μια βαρύτερη έκδοση του ηλεκτρονίου. Αν και η απόπειρά του απέτυχε , οι εξισώσεις που χρησιμοποίησε για την μεμβράνη είναι οι ίδιες που χρησιμοποιούμε σήμερα. Ωστόσο η ιδέα της μεμβράνης αγνοήθηκε από την κοινότητα των υποστηριχτών της θεωρίας των χορδών. Η κατάσταση άλλαξε λόγο της προόδου σε ένα πολύ διαφορετικό πεδίο





Σωματιδιακή Φυσική : Η επόμενη γενεά - Εισαγωγή

Εισαγωγή

Αν και οι βασικοί δομικοί λίθοι της ύλης και οι αλληλεπιδράσεις τους έχουν θεμελιωθεί επαρκώς από θεωρητική άποψη, πολλές θεμελιώδεις ερωτήσεις παραμένουν αναπάντητες και περιμένουν τα πειράματα του μέλλοντος.

Η σωματιδιακή φυσική γεννήθηκε το 1897 με την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου από τον J.J. Thomson και έκτοτε έχουν γίνει πολλά πειραματικά και θεωρητικά βήματα στον 20ο αιώνα.

Πολλά στρώματα από το κοσμικό κρεμμύδι παραμερίστηκαν και το στάδιο της τωρινής μας θεωρητικής κατανόησης συνοψίζεται στο λεγόμενο καθιερωμένο μοντέλο (standard model) το οποίο έχει δοκιμαστεί με μεγάλη επιτυχία στα εργαστήρια στοιχειωδών σωματιδίων σ’ όλο τον κόσμο. Δεν υπάρχει καμιά πιστοποιημένη μέτρηση σε οποιοδήποτε εργαστήριο που να αντιφάσκει με το καθιερωμένο μοντέλο. Παρόλα αυτά εμείς οι φυσικοί των στοιχειωδών σωματιδίων το βρίσκουμε μη ικανοποιητικό διότι η μεγάλη του επιτυχία θέτει νέα ερωτήματα που περιμένουν απαντήσεις.

Η μεγάλη πρόκληση της παρούσης χιλιετίας θα είναι να ξεπεράσουμε το καθιερωμένο μοντέλο και να φτάσουμε σε ένα νέο επίπεδο περιγραφής των συστατικών της ύλης και των αλληλεπιδράσεών τους. Είναι πολύ πιθανόν ότι αυτή η νέα κατανόηση θα κάνει το καθιερωμένο μοντέλο να μοιάζει σαν πρωτόγονο και ανεπαρκές όπως μας φαίνεται σήμερα το ατομικό μοντέλο που χρησιμοποιούσαν οι φυσικοί τον 19ο αιώνα.

Παρόλα αυτά τόσο τα άτομα όσο και οι εξισώσεις του Μaxwell και η βαρύτητα του Νεύτωνα έχουν ακόμα το ρόλο τους στη σύγχρονη θεωρία. Έτσι μπορούμε να περιμένουμε ότι οποιαδήποτε θεωρία και αν αναπτυχθεί στο μέλλον θα περιέχει το καθιερωμένο μοντέλο ως υποσύνολό της.

Ας ανακεφαλαιώσουμε λοιπόν πρώτα τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά του καθιερωμένου μοντέλου πριν δούμε τα ανοιχτά προβλήματά του και τις προσπάθειες επίλυσής τους.



** Σημείωση: Το άρθρο αυτό γράφτηκε πριν από τις τελευταίες ανακοινώσεις στο CERN τον Σεπτέμβριο του 2000 για την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs από τον Tully και τους συνεργάτες του.

Home







Ο θρίαμβος του καθιερωμένου μοντέλου.

Οι θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων που περιγράφονται από το καθιερωμένο μοντέλο είναι η ηλεκτρομαγνητική, η ασθενής, και η ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση. Ήταν ήδη γνωστό από τις πρώτες μέρες της κβαντικής φυσικής ότι για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων μεσολαβεί η ανταλλαγή ενός φωτονίου το οποίο δεν έχει μάζα. Οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις περιγράφονται αρκετά καλά από την καθιερωμένη πια θεωρία της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής (QED).

Οι ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις περιγράφονται από την κβαντική χρωμοδυναμική (QCD), και μεσολαβούν γι αυτές άμαζα μποζόνια που τα λέμε γκλουόνια. Αυτά ανακαλύφθηκαν στο εργαστήριο DESY στην Γερμανία το 1979.

Σύμφωνα με την ενοποιημένη θεωρία των ασθενών και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων που αναπτύχθηκε από τους Sheldon Glashow, Steven Weinberg, και Abdus Salam στη δεκαετία του 60, για την ασθενή αλληλεπίδραση όπως πχ τη β-διάσπαση μπορεί να μεσολαβεί η ανταλλαγή των φορτισμένων W+ και W- και του ουδέτερου Ζ0 μποζονίων που φέρουν μάζα. Αυτά ανακαλύφθηκαν το 1983 στο CERN και έχουν μάζα 80 και 91 GeV c-2 αντίστοιχα. Με τον τρόπο αυτό όλες οι θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις έχουν παρόμοια δομή, αλλά το ερώτημα γιατί μόνο τα μποζόνια των ασθενών αλληλεπιδράσεων να έχουν μάζα παραμένει ένα αίνιγμα στο οποίο θα επιστρέψουμε.

Η 1η Θριαμβευτική ανακάλυψη

Όπως ήδη αναφέραμε το πρώτο στοιχειώδες σωματίδιο που αναγνωρίστηκε ήταν το ηλεκτρόνιο με μάζα περίπου 0,5 MeV c-2 και με spin ½. Ακολούθησε η ανακάλυψη άλλων σωματιδίων που τα είπαν λεπτόνια και δεν αισθάνονται τις ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις: το ασταθές μιόνιο το 1936 με μάζα περίπου 100 MeV c-2 , και το ταυ το 1975 με μάζα περίπου 1780 MeV c-2. Καθένα από αυτά τα φορτισμένα λεπτόνια έχει το δικό του αντίστοιχο αφόρτιστο νετρίνο και τα πειράματα στον επιταχυντή LEP στο CERN έδειξαν ότι δεν μπορεί να υπάρχουν άλλα παρόμοια νετρίνα. Τα δεδομένα του επιταχυντή έχουν θέσει επίσης ανώτατα όρια για τις πιθανές μάζες των νετρίνων οι οποίες αν υπάρχουν είναι πολύ μικρότερες από τις αντίστοιχες των φορτισμένων λεπτονίων.

Τα ισχυρά αλληλεπιδρώντα σωματίδια γνωστά ως αδρόνια, τα οποία ανακαλύφθηκαν μετά το 1940 γνωρίζουμε σήμερα ότι αποτελούνται από άλλες στοιχειώδεις ποσότητες που τις λέμε quarks. Ξέρουμε ότι υπάρχουν 6 διαφορετικοί τύποι quarks, και οι μάζες τους κυμαίνονται από μερικά MeV c-2 για τα up και down quark από τα οποία είναι φτιαγμένη η συνήθης πυρηνική ύλη, έως περίπου 5 GeV c-2 για το bottom κουάρκ που ανακαλύφθηκε το 1977. Συγχρόνως το top κουάρκ που ανακαλύφθηκε το 1994 κατά την διάρκεια συγκρούσεων πρωτονίων-αντιπρωτονίων στο εργαστήριο Fermilab έχει μάζα γύρω στα 170 GeV c-2.

Αν και οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις όπως φανερώνει και το όνομά τους είναι ισχυρές, είναι γνωστό ότι γίνονται ασθενέστερες στις υψηλές ενέργειες που αντιστοιχούν σε κοντινότερες αποστάσεις μεταξύ τους. Αυτή η ιδιότητα γνωστή σαν “ασυμπτωτική ελευθερία” είναι μια κεντρική πρόβλεψη της QCD. Όπως και οι άλλες αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων έτσι και η QCD λέμε ότι είναι μια θεωρία βαθμίδας (gauge theory). Οι πιο πολλές θεωρίες των σωματιδίων παρουσιάζουν συμμετρίες κάτω από τις οποίες οι ιδιότητες ενός σωματιδίου όπως πχ το φορτίο του και οι χωρικές συντεταγμένες του, μπορούν να αλλάξουν πρόσημο χωρίς να αλλάξει η πρόβλεψη της θεωρίας. Τα ειδικά χαρακτηριστικά μιας θεωρίας βαθμίδας είναι ότι αυτοί οι μετασχηματισμοί μπορούν να γίνουν ανεξάρτητα σε κάθε σημείο του χώρου και του χρόνου. Αυτό αποδεικνύεται ότι μπορεί να συμβαίνει μόνον όταν το σωματίδιο φορέας της δύναμης έχει ακέραιο spin, δηλ. αν είναι μποζόνιο.

Στην QED στην πρώτη θεωρία βαθμίδας, το φωτόνιο έχει spin 1. Οι θεωρίες βαθμίδας αποτελούν τις μόνες συνεπείς περιγραφές των αλληλεπιδράσεων τέτοιων σωματιδίων. Η Γενική θεωρία της Σχετικότητας έχει μια παρόμοια δομή με την QED αλλά στο ρόλο του μποζονίου-φορέα βρίσκεται εδώ το γκραβιτόνιο, ένα αινιγματικό σωματίδιο με spin 2 το οποίο δεν έχει ακόμα ανιχνευτεί.

Στη φυσική των σωματιδίων κυριαρχούν τα τελευταία χρόνια μια σειρά από τεστ ακριβείας για το καθιερωμένο μοντέλο, τόσο στην περιοχή των ισχυρών όσο και στην περιοχή των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων. Η ασυμπτωτική ελευθερία των ισχυρών αλληλεπιδράσεων έχει πιστοποιηθεί σε ένα μεγάλο αριθμό πειραμάτων με ενέργειες από 1GeV έως περίπου 200GeV. Στην περιοχή των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων κυριαρχούν τα τεστ που γίνονται με συγκρούσεις ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων υψηλών ενεργειών στους επιταχυντές LEP και SLC στο Stanford της Καλιφόρνιας.

Ακριβείς προβλέψεις

Τα πρώτα χρόνια της λειτουργίας του, οι δέσμες στο LEP ρυθμίζονταν σε τέτοιες ενέργειες που αντιστοιχούσαν στη μάζα του Ζ0 σωματιδίου. Σ’ αυτές τις συγκεκριμένες ενέργειες ο ρυθμός με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρόνια με τα ποζιτρόνια αυξάνει σημαντικά και η γραφική παράσταση του ρυθμού των αλληλεπιδράσεων σε συνάρτηση με την ενέργεια δείχνει στις τιμές αυτές μια κορυφή “συντονισμού”.Οι μετρήσεις στο LEP έδειξαν επίσης ότι υπάρχουν ακριβώς τρία είδη νετρίνων, ούτε περισσότερα ούτε λιγότερα.

Πολλές από τις μετρήσεις που έγιναν στο LEP και στο SLC έχουν ακρίβεια 1: 1000 και καμιά δεν έδειξε σημαντική διαφορά με τις προβλέψεις του καθιερωμένου μοντέλου.

Αυτές οι προβλέψεις απαιτούν μικρές κβαντικές διορθώσεις που οφείλονται σε δυνάμει σωματίδια τα οποία εκπέμπονται από πραγματικά σωματίδια και ζουν ελάχιστα μέχρι να απορροφηθούν ξανά. Οι διορθώσεις αυτές μπορούν να υπολογιστούν αξιόπιστα μέσα στα πλαίσια της ηλεκτρασθενούς θεωρίας. Σε πολλές κβαντικές θεωρίες αυτοί οι υπολογισμοί δίνουν ως αποτέλεσμα άπειρο, και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να κάνουμε αξιόπιστες προβλέψεις. Ένα από τα θαύματα των θεωριών βαθμίδας είναι ότι αυτοί οι απειρισμοί μπορούν να αρθούν, επιτρέποντας την εξαγωγή πεπερασμένων προβλέψεων για διάφορα φυσικά μεγέθη. Αυτό έγινε πρώτα για την QED την δεκαετία του 40. Στην αρχή της δεκαετίας του 70 ο Gerard ‘t Hooft και ο Martinus Veltman απέδειξαν ότι αυτή η άρση των απειρισμών μπορούσε να συμβεί και για τις ηλεκτρασθενείς αλληλεπιδράσεις, ένα επίτευγμα που τους έδωσε το βραβείο Nobel της Φυσικής το 1999.





Ιχνη φορτισμένων σωματιδίων σε θάλαμο φυσσαλίδων

Η φωτογραφία ανήκει στο Fermilab





Η φωτογραφία δείχνει τα ίχνη που αφήνονται σε ένα θάλαμο φυσσαλίδων από τα στοιχειώδη φορτισμένα υποατομικά σωματίδια καθώς αυτά ταξιδεύουν μέσω ενός ειδικού υγρού που κάνει φυσσαλίδες κατά την παρουσία ηλεκτρικών φορτίων. Το κινούμενο ουδέτερο σωματίδιο, που σημειώνεται με το N, παριστάνει ένα στοιχειώδες ουδέτερο σωματίδιο, όπως είναι ένα νετρίνο που συγκρούεται με έναν από τους πυρήνες των ατόμων στο υγρό, παράγοντας με αυτό το τρόπο ένα καταιγισμό φορτισμένων σωματιδίων που τότε διασπώνται σε ένα άλλο πλήθος φορτισμένων σωματιδίων.

Οι υπολογισμοί αυτοί που λέγονται υπολογισμοί βρόχων είναι πολύ ευαίσθητοι στις μάζες των δυνάμει σωματιδίων τα οποία είναι πολύ βαριά για να παραχθούν απευθείας στο LEP ή στο SLC. Πιο συγκεκριμένα, οι διάφορες μετρήσεις των διασπάσεων του Ζ0, είναι πολύ ευαίσθητες στη μάζα του top quark. Έτσι οι φυσικοί μπόρεσαν να προβλέψουν επιτυχώς τη μάζα του top quark, πριν αυτό ανακαλυφθεί, δοκιμάζοντας ποια μάζα ταίριαζε καλύτερα με τα πειραματικά δεδομένα των διασπάσεων του Ζ0.

Οι δέσμες στο LEP έχουν τώρα ανέλθει σε ενέργειες πάνω από το κατώφλι παραγωγής Ζ0, έτσι ώστε να μπορούν να παράγονται ζεύγη W μποζονίων. Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο τα ζεύγη των W, μπορούν να παραχθούν αν τα ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια πρώτα δημιουργήσουν ένα φωτόνιο ή Ζ0 μποζόνιο, ή ανταλλάξουν ένα νετρίνο. Και οι τρεις αυτές συνεισφορές είναι απαραίτητες για να εξηγηθούν τα δεδομένα του LEP και οι μετρήσεις είναι σε καλή συμφωνία με τις θεωρητικές προβλέψεις. Έτσι το καθιερωμένο μοντέλο παραμένει θριαμβευτής.

** Σημείωση: Το άρθρο αυτό γράφτηκε πριν από τις τελευταίες ανακοινώσεις στο CERN τον Σεπτέμβριο του 2000 για την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs από τον Tully και τους συνεργάτες του.











Ελλείψεις του καθιερωμένου μοντέλου

Πειραματικά επιτεύγματα

Υπάρχουν ακόμη μερικά χαρακτηριστικά-κλειδιά της θεωρίας που δεν έχουν ακόμη δοκιμαστεί. Ένα από αυτά είναι η προέλευση των μαζών των σωματιδίων. Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο, η θεωρία πεδίου στην οποία στηρίζεται, μπορεί να διτυπωθεί και με άμαζα σωματίδια κατά πολύ συμμετρικό τρόπο. Παρόλα αυτά το κενό της ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης σπάει αυτή τη συμμετρία και δίνει διαφορετικές μάζες σε διαφορετικά σωματίδια. Υπεύθυνο γι αυτό το αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας πιστεύεται ότι είναι ένα βαθμωτό πεδίο που του αντιστοιχεί ένα σωμάτιο, το λεγόμενο μποζόνιο Higgs. Η ακρίβεια των ηλεκτρασθενών πειραματικών δεδομένων είναι ευαίσθητη στη μάζα αυτού του σωματιδίου, και με τα σημερινά δεδομένα προβλέπεται γι αυτό μια μάζα της τάξης των 100 GeV c-2 με ένα παράγοντα αβεβαιότητας περίπου 2. Η έρευνα για τα μποζόνια Higgs είναι ένας συνεχής σκοπός των πειραματικών προγραμμάτων στο LEP. Οι έρευνες αυτές δεν έχουν αποδώσει έως τώρα και έχουν εδραιώσει την άποψη ότι η μάζα του Higgs πρέπει να υπερβαίνει τα 102 GeV c-2.

Τα πειράματα στο LEP θα μπορούσαν να επεκτείνουν την έρευνα έως τα 110 GeV c-2. Αν όμως το μποζόνιο Higgs είναι βαρύτερο, η ανακάλυψή του μπορεί να απαιτεί μελλοντικά πειράματα στο Fermilab ή στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN.

Ένα άλλο στοιχείο που μας λείπει στα τεστ του καθιερωμένου μοντέλου, είναι ο μηχανισμός με τον οποίο επικράτησε η ύλη επί της αντιύλης. Αυτό το θέμα έχει μεγάλη σπουδαιότητα για την ιστορία του Σύμπαντος, το οποίο δεν φαίνεται να έχει σημαντική ποσότητα αντιύλης, παρά την φυσική προσδοκία ότι αρχικά υπήρχαν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Το 1957 οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις εμφανίστηκαν να παραβιάζουν όχι μόνο την κατοπτρική συμμετρία (parity) αλλα επίσης και την συμμετρία της αντικατάστασης ενός σωματιδίου με το ηλεκτρικά αντίθετό του αντισωματίδιο. Αυτό σημαίνει ότι εν γένει ότι σωματίδια με spin μιας ορισμένης κατεύθυνσης συμπεριφέρονται διαφορετικά από όμοια σωματίδια με spin αντίθετης κατεύθυνσης. Σημαίνει επίσης ότι σωματίδια και αντισωματίδια που έχουν spin ίδιας κατεύθυνσης συμπεριφέρονται διαφορετικά.

Αρχικά νομίστηκε ότι ο συνδυασμός της κατοπτρικής συμμετρίας και της εναλλαγής σωματιδίου με αντισωματίδιο που είναι γνωστός ως CP συμμετρία ήταν πράγματι μια απαραβίαστη συμμετρία. Ένα πείραμα όμως του 1964 αποκάλυψε ότι και η CP παραβιάζεται κατά τις ασθενείς διασπάσεις των ουδέτερων Κ-μεσονίων που περιέχουν παράξενα (strange) quarks.

Το 1973 ο Makoto Kobayashi και ο Toshikide Maskawa πρότειναν ότι η ασυμμετρία ύλης-αντιύλης θα μπορούσε να φιλοξενηθεί μέσα στα πλαίσια του καθιερωμένου μοντέλου αν υπήρχαν τουλάχιστον 6 είδη quarks. Από τότε πολλή θεωρητική προσπάθεια έχει αφιερωθεί στην εκτίμηση των προβλέψεων του καθιερωμένου μοντέλου για ασυμμετρίες ύλης-αντιύλης σε διάφορες διεργασίες. Υπάρχει επίσης ένα εκτεταμένο πειραματικό πρόγραμμα για έλεγχο αυτών των προβλέψεων. Τα πειράματα βρίσκονται σε συνέπεια με το καθιερωμένο μοντέλο επιβεβαιώνοντας πρόσφατα την παραβίαση της CP συμμετρίας στην περίπτωση της διάσπασης των ουδέτερων Κ-μεσονίων. Όμως τα πειράματα δεν έχουν ακόμη πιστοποιήσει τις προβλέψεις του καθιερωμένου μοντέλου σε διασπάσεις άλλων σωματιδίων.

Τον τελευταίο καιρό υπάρχει αρκετό ενδιαφέρον στην έρευνα για παραβίαση τηςCP σε διασπάσεις Β-μεσονίων που περιέχουν το bottom quark. Ικανοί αριθμοί Β-μεσονίων παράγονται σε νέους επιταχυντές που λέγονται Β-εργοστάσια και λειτουργούν στο SLAC του Stanford και στο εργαστήριο ΚΕΚ στην Ιαπωνία.

Αν και το καθιερωμένο μοντέλο είναι πολύ επιτυχημένο χωρίς να υπάρχουν επιβεβαιωμένα αποτελέσματα από τους επιταχυντές που να συγκρούονται με αυτό, υπάρχουν αρκετοί θεωρητικοί λόγοι να το θεωρούμε μη ικανοποιητικό και να περιμένουμε κάποια Νέα Φυσική πέραν αυτού. Για παράδειγμα ακόμα και αν κανείς παραδεχτεί τα φορτία και τα spins των quarks και των λεπτονίων το καθιερωμένο μοντέλο περιέχει 19 ελεύθερες παραμέτρους που καθορίζονται από το πείραμα. Τόσες πολλές παράμετροι είναι σίγουρα απαράδεκτες για μια θεωρία που φιλοδοξεί να είναι θεωρία των πάντων. Οι προσπάθειες να πάμε πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο τυπικά προσπαθούν να απλοποιήσουν τουλάχιστον μια από αυτές τις όψεις του.