Elementariųjų dalelių simetrija persmelkia viską. Vartiklis

Norime to ar ne – taisyklės reguliuoja mūsų gyvenimą. Tačiau vienas taisyklių rinkinys yra virš visų kitų taisyklių – tai elementariųjų dalelių, iš kurių sudaryta visa Visata, dėsniai. Pagrindinės taisyklės nėra sudėtingos: dalelės gali šokinėti – ir taip darydamos skleidžia arba absorbuoja šviesos daleles (fotonus). O žinodami elektronų dėsnius, galime suprasti atomų ir molekulių elgseną, kas yra šiuolaikinės chemijos sritis.

Tik štai – taisyklių žinojimas nėra viskas. Tai tarsi šachmatų žaidimas. Jei nežinote jo taisyklių, galite jas nustatyti stebėdami žaidžiamas (žaistas) partijas. Stebėdami suprasite leistinus ėjimus (gal sunkiau suvokti „kirtimą praeinant“ - en passant). Taip ir el. dalelių fizikoje – bandome suprasti „žaidimo“ taisykles jas stebėdami. Tačiau sužinoję taisykles neimsite žaisti kaip didmeistriai.

Pagrindinį vaidmenį vaidina simetrija. Pvz., snaigės simetrija leidžia nustatyti snaigės formą turint tik pusę snaigės. Pažymėtina, kad tokį pat simetrijos grožį perteikia el. dalelių elgsenos matematinės lygtys. Tačiau, skirtingai nuo snaigių, tai kažkas, ko nepamatysi tiesiogiai, nes tai nėra formos simetrija. Tai abstrakti simetrija, kuri vadinama sąveikos simetrija. Tačiau nuo to ji nepraranda žavesio.

Tarkim, kad norim parašyti lygtis, aprašančias kaip elgiasi tarpusavyje nesąveikaujančios el. dalelės. Tai nesunku, nes Einšteino specialioji reliatyvumo teorija daugiau ar mažiau nurodo, ką reikia rašyti. Tačiau jos aprašys labai nuobodžią visatą, kurioje nėra nieko, kas yra mūsiškėje. Pvz., joje gali būti vien tik elektronai ir nieko daugiau – tad nebus iš ko susidaryti atomams.

Ir čia pasireiškia simetrijos žavumas. Sąveikos simetrija nurodo, pvz., kad gali būti numatyti fotonai, kuriuos gali skleisti ar sugerti šokinėjantys elektronai. Mat be fotonų matematinėje dalyje neįmanoma simetrija. Taigi, fotonai yra simetrijos pasekmė.

Ir čia pasidarė įdomu – kodėl gi fundamentaliosios gamtos taisykles išreiškiančios lygtys tokios paprastos? Hm, - geras klausimas, į kurį kol kad nežinome atsakymo. Kaip bebūtų, tačiau atrodo, kad mūsų Visata sukurta taip, kad el. dalelių elgsenos taisyklės būtų itin grakščiai matematiškai išreiškiamos. Ir tai tikrai nuostabu, nes jos reguliuoja viską – nuo rožės žiedlapių spalvos iki „pakurų“ žvaigždžių širdyse.

Standartinio modelio naudai kalba ir Higso bosono atradimas.
Sąveikos simetrija teisingai nurodo, kaip turi sąveikauti dalelės, tačiau ji pritaikoma, kai dalelės neturi masės. T.y., masės įtraukimas į lygtis kaip ir sugriauna simetriją. Tai rimta problema, nes realiame pasaulyje dalelės tikriausiai turi masę.

Tačiau 7-o dešimtm. pradžioje P. Higgs‘as^*), F. Englert‘as ir R. Brout‘as nustatė, kad įmanoma išlaikyti lygčių simetriją įtraukiant naują dalelę. Tačiau tik po 50 m. ją 2012 m. pastebėjo (galbūt) LHC.

Vis tik Standartinis modelis dar nėra galutinis sprendimas. Pvz., jis neapima gravitacinės jėgos, nes dar niekas nenustatė, kaip galima užrašyti lygtis taip, kad šios sujungtų Einšteino gravitacijos teoriją su kvantinės fizikos dėsniais. Nors atrodo, kad toji jėga tokia silpna, kad į ją galima nekreipti dėmesio atliekant bandymus su el. dalelėmis. Ji tampa svarbia tik nagrinėjant ypač didelius objektus, pvz., planetas ir žvaigždes. Vis tik mes neturime lygčių, aprašančių dėsnius ten, kur gravitacija ypač stipri, pvz., prie juodųjų skylių.

Kita vertus, jokia Standartinio modelio dalelė netinka „tamsiosios materijos“ paaiškinimui. Ši materija, sudaranti 85% Visatos masės, lieka mįsle. Astronomas nustatė jos buvimą – ir paskaičiavo pasiskirstymą kosmose – matuotami jos trauką įprastinei materijai, tačiau nežinoma, iš ko ji sudaryta.

Neturėtų labai stebinti, kad gali būti ir naujų el. dalelių. Tarkim, tokia dalelė gali būti „tamsi“, - „tamsumas“ reiškia, kad dalelė neskleidžia ir neabsorbuoja fotonų (tiesą sakant, tokie yra ir neutrinai). Juk kodėl turi egzistuoti tik tokios dalelės, kurias galime išvysti per teleskopus?! Ir lieka viltis, kad LHC apčiuopiamoje ateityje sugebės sukurti tamsiąsias daleles.

Astronominiai matavimai atskleidė esant ir „tamsiąją energiją“, verčiančią tolimas galaktikas tolti greitėjant. Tai irgi kažkas, ko nepaaiškina Standartinis modelis.

Trūkstamų barionų byla

Visi stebimi Visatos kūnai sudaryti iš el. dalelių, priklausančių barionų šeimai (žinomiausi barionai – protonas ir neutronas). Pagal pripažintą kosmologinį Liambda-CDM modelį barioninei materijai tenka tik 5% Visatos masės, o apie 25% tenka tamsiajai materijai ir 70% tamsiajai energijai. Pavadinime „liambda“ žymi kosmologinę konstantą Einšteino lygtyse, nusakančią tamsiąją energiją, o CDM – tai Cold Dark Matter santrumpa.

„Barioninės“ Visatos struktūra pakankamai gerai žinoma – atomai, žvaigždės, galaktikos ir t.t..... Reliktinio spinduliavimo tyrimų dėka neblogai įsivaizduojame apie materijos kiekį Visatoje. O dar vienu informacijos šaltiniu yra šviesos iš tolimų kvazarų „vandenilinis sugėrimas“. Iš jų mus pasiekianti šviesa dalį energijos praranda dėl Visatos plėtimosi. Dalį jos sugeria vandenilio atomai. Jei šviesa tuos atomus sutiko labai toli nuo mūsų, tai sugėrimo spektras bus pasislinkęs į mažesnės energijos pusę (raudonasis poslinkis). Pagal poslinkį galima nustatyti, kada ir kur tai įvyko. Šis metodas leidžia patikslinti materijos kiekio įvertį. Pasiskirstymas

Barioninė materija pasiskirsčiusi taip: 7% randasi žvaigždėse, 6,8% - šaltose ir karštose dujose galaktikų viduje, dar 4% - galaktikų spiečiuose; tarpgalaktinėms dujoms tenka 28% (šaltoms) ir 15% (karštoms). O štai kur dingsta likę 40% - iki šiol neaišku. Ją tikimasi irgi rasti tarpgalaktinėje erdvėje, tačiau neaišku kur ir kokiu pavidalu...

O štai neseniai astrofizikai Harvardo-Smitsono astrofizikos centro su kitais iš viso pasaulio rado „pamestus“ barionus. Tiesa, ir anksčiau jau buvo pranešama trūkstamų barionų atradimus, tačiau visi jie buvo paskelbti nepatikimais.

Anot kompiuterinės simuliacijos trūkstami barionai turi slėptis išretėjusiose dujose su pluoštine struktūra, kuri žinoma kaip šiltai-karštoji tarpgalaktinė terpė. Toks keistas pavadinimas duotas todėl, kad jos temperatūra yra 10⁵-10⁷ K diapazone. Apatinė riba yra žemiau ribos, nuo kurios fizikai plazmą laiko karšta, tačiau didesnė, nei šaltos plazmos. Vis tik šią plazmą pamatyti labai sudėtinga.

Tarpgalaktinės dujos labai išretėjusios - 1 m³ tenka vos 0,2 bariono. Jos daugiausia sudarytos iš vandenilio (Visatoje jo yra apie 75%). Neutralų vandenilį galima „atpažinti“ pagal sugėrimą ultravioletinėje spektro dalyje, atitinkančioje elektrono perėjimą į sužadintą būseną sugėrus fotoną. Minėtoje terpėje tik vienas vandenilio atomas iš 10 mln. yra neutralus, taigi ir gebantis sugerti šviesą. Todėl tokia vandenilinė plazma yra nematoma.

Helis esant tokiai temperatūrai taip pat beveik vien jonizuotas, be to jo sugėrimo spektras yra ten, kur jį blokuoja šaltos dujos galaktikų viduje. Tokioje temperatūroje 6 iš 8 deguonies elektronų yra atplėšti branduolio, o toks deguonis sugeria rentgeno spinduliavimą, tas jį gali „pamatyti“ spektometrai. Be to likę du elektronai užtikrina, kad deguonies atomas liktų stabilus – tad tokį deguonį labai patogu tirti. O kadangi anglies, azoto ir deguonies proporcijos vienodos visoje Visatoje, nes jie susidaro žvaigždžių branduoliuose, tai žinant deguonies masę galima nustatyti ir anglies bei azoto mases.

Sunkumus kelia labai silpnas signalas, kuris priklauso nuo medžiagos tankumo. Stipriai išretėjusioje terpėje jis visai nežymus – išmatuojamas sugėrimas vyksta per parseką. „Chandra“ ir XMM Newton spektrometrai turi labai mažą matuojamą paviršių: „Chandra“ – 15 cm² ir du XMM Newton detektoriai po 40 cm². Tad jie gerai mato tik didesnio laipsnio spektro linijas. Tad silpno signalo išmatavimui jo šaltinis turi būti labai ryškus ir būti toli, kad praeitų didelį atstumą erdve. Deja, tokių šaltinių reta, o ir matavimai atliekami ties prietaisų techninių galimybių riba.

Minėtu atveju tyrinėtojai su XMM Newton prietaisais stebėjo ryškiausią iš žinomų blazarų, 1ES 1553 – per 2 m. jo stebėjimui buvo skirta 18 d. To laiko pakako, kad būtų nustatytas deguonies plazmos „pluoštas” ir įvertinta jo masė. Paaiškėjo, kad tarpgalaktinė plazma gali gražinti trūkstamų barionų deficitą.

Rezultatų patikrinimui tyrinėtojai jau pasirinko 7-is kitus objektus, kuriuos tirs 10 m. (per tą laiką juos stebint 40,5 paros). Viltys siejamos su nauja, po 10 m. paleista ESA orbitine rentgeno observatorija „Athena“, kurios spektometras X-IFU bus 100 kartų jautresnis už XMM Newton. Projektas gaus 58 paras stebėjimams.

Tačiau galiausiai dar neaišku, ar teisingas Lambda-CDM modelis ir nieko nežinoma apie tamsiąją energiją, kuriai tenka 70% masės. O ir su gravitacija dar ne viskas glotnu, - tad astrofizikams dar bus darbo.

^*) Piteris Higsas (Peter Ware Higgs, g. 1929 m.) – britų fizikas-teoretikas, Londono Karališkosios draugijos narys, Nobelio premijos laureatas (2013 m. kartu su F. Englertu) už Higso bosono nuspėjimą. Jis atsakingas už spontanišką elekros silpnosios sąsajos simetrijos pažeidimą ir taip leidžia el. dalelėms įgauti masę. Idėjo kilo pasivaikštant Edinburgo apylinkėmis.