Τα μυστικά της ισχυρότερης δύναμης στο σύμπαν

Η ισχυρότερη δύναμη στο σύμπαν αποκαλείται, καθόλου πρωτότυπα, …ισχυρή δύναμη. Δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε πόσο ισχυρή είναι, επειδή επενεργεί μόνο σε υποατομικές αποστάσεις, συνδέοντας τα κουάρκ μεταξύ τους, ώστε να σχηματίζουν πρωτόνια και νετρόνια, δηλαδή τα συστατικά των ατομικών πυρήνων. Από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, η ισχυρή δύναμη είναι κατά πολύ ισχυρότερη απ; όλες, καθώς είναι 100 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές ισχυρότερη από τη δύναμη της βαρύτητας. Ταυτόχρονα, είναι και η πιο μυστηριώδης.

Αν και γνωρίζουν περίπου πώς συγκρίνεται από πλευράς ισχύος με τις άλλες δυνάμεις, οι επιστήμονες δεν ξέρουν ακριβώς πόσο ισχυρή είναι η ισχυρή δύναμη. Οι άλλες τρεις δυνάμεις – η βαρύτητα, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη και η ασθενής πυρηνική δύναμη (υπεύθυνη για τη ραδιενεργό ακτινοβολία) – έχουν μετρηθεί πολύ καλύτερα. Η ισχύς του ηλεκτρομαγνητισμού, για παράδειγμα, χαρακτηρίζεται από μια σταθερά σύζευξης που έχει μετρηθεί με την ίδια ακρίβεια που έχουν μετρηθεί οι αποστάσεις μεταξύ σημείων πάνω στη Γη, δηλαδή με ακρίβεια όσο το πάχος μερικών ανθρώπινων τριχών. Ωστόσο η αντίστοιχη σταθερά της ισχυρής δύναμης (ψευδοσταθερά ή απλώς παράγοντας σύζευξης, καθώς εξαρτάται από την απόσταση των κουάρκ) έχει κατανοηθεί πολύ λιγότερο και οι καλύτερες μετρήσεις την αποδίδουν με ακρίβεια 100 εκατομμύρια φορές μικρότερη απ” ό,τι για τη μέτρηση της ηλεκτρομαγνητικής σταθεράς.

Αλλά και αυτό το επίπεδο της αβεβαιότητας αφορά μόνο την απλούστερη περιοχή εφαρμογής της θεωρίας της ισχυρής δύναμης, σε πολύ υψηλές ενέργειες, που αφορούν μόνο ορισμένα από τα σπανιότερα και πιο ακραία φαινόμενα στη φύση. Στις χαμηλότερες ενέργειες, που αφορούν το μεγαλύτερο μέρος του κόσμου γύρω μας, η ισχυρή δύναμη γίνεται τόσο ισχυρή, που οι πληροφορίες γι; αυτή είναι πολύ περιορισμένες. Μέχρι πρόσφατα κανείς δεν είχε πειραματικές μετρήσεις της σταθεράς της ισχυρής δύναμης σε αυτήν την κλίμακα ενεργειών. Οι θεωρητικές προβλέψεις για την τιμή της δεν βοηθούσαν, καθώς η σχετική καμπύλη απειριζόταν γρήγορα.

Πολυπλοκότητα

Το Φασματόμετρο Μεγάλης Αποδοχής CEBAF, όπου έγιναν μερικές από τις μετρήσεις που βοήθησαν να προσδιοριστεί η ισχυρή πυρηνική δύναμη σε κλίμακα, που δεν ήταν δυνατή ως τώρα

Η ισχυρή δύναμη είναι δύσκολο να μελετηθεί από πολλές πλευρές. Η θεωρία που περιγράφει τη λειτουργία της ονομάζεται κβαντική χρωμοδυναμική και είναι τόσο πολύπλοκη, που δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ώστε να γίνουν απευθείας υπολογισμοί και ακριβείς προβλέψεις. Ενας από τους λόγους της πολυπλοκότητας είναι ότι ο φορέας της δύναμης, ένα σωματίδιο που ονομάζεται γκλουόνιο, αλληλεπιδρά και με τον εαυτό του. Ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι συγκριτικά απλός, επειδή ο φορέας του, το φωτόνιο, δεν έχει φορτίο. Αλλά το γκλουόνιο έχει την εκδοχή φορτίου της ισχυρής δύναμης που ονομάστηκε χρώμα και οι αλληλεπιδράσεις του σύντομα παύουν να μπορούν να παρακολουθηθούν. Γι΄ αυτό, η ισχυρή δύναμη, παρά τη σημασία της στην πυρηνική φυσική και στη δόμηση του φυσικού κόσμου, δεν είναι από τα πιο συμπαθή πεδία για τους ερευνητές.

Ωστόσο, η κατανόηση της ισχυρής δύναμης είναι απαραίτητη για την κατανόηση της πολυπλοκότητας της ύλης. Η ισχυρή δύναμη είναι η προϋπόθεση για το 99% της μάζας που έχει εντοπιστεί στο ορατό σύμπαν, με το υπόλοιπο 1% να προέρχεται από το μποζόνιο Χιγκς. Τώρα, μετά από προσπάθειες μισού αιώνα, οι επιστήμονες αρχίζουν να αποκαλύπτουν μερικά από τα μυστικά της ισχυρής δύναμης. Εγιναν οι πρώτες μετρήσεις της ισχυρής δύναμης στην περιοχή ενεργειών που είναι εξαιρετικά δυσπρόσιτη, ενώ έχουν αναπτυχθεί και νέες θεωρητικές προβλέψεις, που εξηγούν τις μετρήσεις αυτές. Οι φυσικοί μπορούν τώρα να υπολογίσουν αναλυτικά πλευρές της κβαντικής χρωμοδυναμικής, εκκινώντας από πρώτες (βασικές) αρχές. Η εξερεύνηση της ισχυρής δύναμης στην περιοχή που ως τώρα ήταν σχεδόν απρόσιτη, ίσως βοηθήσει στην ενοποίηση θεωριών για το σύμπαν.

Αξεχώριστα

Ηλεκτρομαγνήτες κατευθύνουν σωματίδια μέσα στην Εγκατάσταση Επιταχυντή Συνεχούς Δέσμης Ηλεκτρονίων (CEBAF), του ερευνητικού κέντρου Τόμας Τζέφερσον

Για τις περισσότερες δυνάμεις, οι παράγοντες σύζευξης μεταβάλλονται αργά με την απόσταση. Για παράδειγμα, από τις μικρότερες κλίμακες αποστάσεων που έχει εξερευνήσει ως τώρα ο άνθρωπος, μέχρι την κλίμακα των καθημερινών μεγεθών, ο ηλεκτρομαγνητικός παράγοντας σύζευξης μειώνεται μόλις κατά 10%. Αντίθετα, για την ισχυρή σύζευξη η μεταβολή είναι τεράστια (πολλές τάξεις μεγεθών). Ακόμη πιο σημαντική διαφορά είναι ότι ενώ η ηλεκτρομαγνητική σύζευξη μειώνεται με την αύξηση της απόστασης, η ισχυρή δυναμώνει. Αν προσπαθήσεις να τραβήξεις δύο κουάρκ κάποιου πρωτονίου μακριά το ένα από το άλλο, η έλξη μεταξύ τους γίνεται ισχυρότερη, τόσο ισχυρή που είναι ουσιαστικά αδύνατο να ξεχωρίσεις τα κουάρκ, καθώς η ισχυρή δύναμη τα κρατάει περιορισμένα μέσα στο πρωτόνιο. Το ίδιο ισχύει και για αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα κουάρκ και τα γκλουόνια, αλλά και για αλληλεπιδράσεις μεταξύ γκλουονίων. Αντίθετα, όσο μικρότερη είναι η απόσταση μεταξύ των κουάρκ, τόσο λιγότερο ισχυρή είναι η σύζευξή τους.

Η γνώση του μεγέθους του παράγοντα σύζευξης της ισχυρής δύναμης είναι πολύ σημαντική: Τα περισσότερα φαινόμενα στη φύση που σχετίζονται με την ισχυρή δύναμη, από τη βαθύτερη δομή των ατόμων, ως τις εσωτερικές διεργασίες στα άστρα νετρονίων, καθορίζονται από το μέγεθος αυτό. Οι επιστήμονες γνωρίζουν τώρα ότι ο παράγοντας σύζευξης δεν απειρίζεται σε καμιά απόσταση και αυτό ανοίγει ένα νέο πεδίο υπολογισμών για τα φυσικά φαινόμενα.

Διαστάσεις

Τα κουάρκ που σχηματίζουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν μικρή μάζα, όπως μικρή μάζα έχουν και τα ηλεκτρόνια. Από πού προέρχεται λοιπόν το 99% της μάζας της ύλης; Οι νέες θεωρίες που αναπτύχθηκαν για την ισχυρή δύναμη υποθέτουν ότι τα κουάρκ συγκεντρώνουν νέφη γκλουονίων γύρω τους και αυτά ευθύνονται για το μεγαλύτερο μέρος της μάζας των πυρηνικών σωματιδίων. Η μεγάλη ενέργεια σύζευξης της ισχυρής δύναμης για τον περιορισμό των κουάρκ μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι αυτή που συμβάλλει σχεδόν σε όλο το μέγεθος της μάζας κατά τη γνωστή εξίσωση μεταξύ μάζας και ενέργειας, που διατύπωσε ο Αϊνστάιν (E=mc2). Βεβαίως το σωματίδιο Χιγκς καθορίζει τη μάζα που έχουν τα κουάρκ και τα ηλεκτρόνια, η οποία αποτελεί όμως μόνο το 1% της συνολικής μάζας του ατόμου.

Η σταθερότητα του παράγοντα σύζευξης της ισχυρής δύναμης σε μεγάλες αποστάσεις, που αποδείχτηκε από τις τελευταίες πειραματικές έρευνες και θεωρίες, κάνει την κβαντική χρωμοδυναμική την πρώτη πλήρως κβαντική θεωρία που προβλέπει μόνο πεπερασμένες ποσότητες, καθώς όλες οι άλλες κβαντικές θεωρίες πεδίου, συμπεριλαμβανόμενης της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής (για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη), συναντούν απειρισμούς στις πολύ υψηλές ενέργειες. Αυτό ίσως επιτρέψει στην κβαντική χρωμοδυναμική να εξηγήσει φαινόμενα που ακόμη δεν μπορούν να κατανοηθούν. Ισως μάθουμε αν τελικά χρειάζονται θεωρίες χορδών με 10, 11 ή 26 διαστάσεις του χωροχρόνου («τυλιγμένες» και γι” αυτό κρυφές οι περισσότερες) για να κατανοήσουμε το σύμπαν, ή αν μια βαθύτερη κατανόηση των εξακριβωμένων τεσσάρων διαστάσεων του χωροχρόνου είναι επαρκής για τον σκοπό αυτό.

Επιμέλεια: Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ – Πηγή: «Scientific American»

(Αναδημοσίευση από τον «Ριζοσπάστη»)