Tiskane izdaje
Na začetku 21. stoletja se je fizika znašla na zelo čudnem teritoriju – na področju neverjetno majhnega in neverjetno težkega. Novi svet je svet, v katerem sta obe, kvantna mehanika in gravitacija, enako pomembni. Toda skrivnosti in nerešeni problemi ostajajo, pravi fizik Borut Bajc, ki je vzbudil pozornost mednarodne strokovne javnosti s pomembnimi prispevki k teoriji poenotenja osnovnih sil in delcev.
Einsteinova teorija gravitacije oziroma njegova splošna teorija relativnosti opisuje nastanek vesolja, orbite ter planete in padec Newtonovega jabolka, kvantna mehanika pa opisuje atome in molekule, elektrone ter kvarke in temeljne subatomske sile. Toda na mestih, kjer naj bi obe teoriji veljali, denimo v črnih luknjah, kjer so tako učinki gravitacije kot tudi kvantni učinki močni, se zdi, da nista združljivi. Kakšen je torej pogled sogovornika na problem poenotenja gravitacije in kvantne mehanike?
»To je eden najpomembnejših in najtežjih problemov v današnji fiziki delcev,« odgovarja dr. Bajc. »Osnovne interakcije delcev, ki jih poznamo danes, se namreč delijo na dve vrsti. Na eni strani so elektromagnetna, šibka in močna interakcija, ki jih opisujemo z metodami kvantne teorije polja. To je dokaj dobro znano področje fizike, ki se odlično ujema z eksperimentalnimi podatki, v nekaterih, sicer redkih primerih tudi z izjemno natančnostjo. Bistvena za opis teh pojavov je uporaba kvantne mehanike.«
»Po drugi strani pa vsi delci občutijo silo gravitacije, ki je v sedanjih eksperimentih z osnovnimi delci nepomembna, ker je prešibka, zato pa je tako izrazita v makroskopskem svetu in je bila pomembna v prvih trenutkih vesolja po velikem poku.«
»V svoji teoriji poenotenja izhajam iz tako imenovanega standardnega modela osnovnih delcev in interakcij oziroma iz Weinberg-Salamove teorije, ki temelji na uporabi načela simetrije in je razkrila, da gre pri šibki in elektromagnetni sili za dve opazni obliki istega pojava. Poenotiti pa poskušam vse interakcije, razen gravitacije.«
Raziskave v zadnjih desetletjih so dale jasno sliko osnovnih delcev in njihovih interakcij pri nizkih energijah, pri tem pa je standardni model, kljub zelo natančnemu ujemanju z eksperimenti, pokazal veliko pomanjkljivosti.
Tako je. Težave se pojavljajo pri razlagah temne snovi, nevtrinske mase, kvantizacije naboja, nerazumnega ponavljanja interakcij in števila različnih delcev, če omenim le nekatere najopaznejše. Pri tem se seveda takoj postavi vprašanje, zakaj imamo tri različne interakcije, zakaj nimamo samo ene. Čemu ta zaplet? Torej, to je eno vprašanje.
Drugo temeljno vprašanje, ki se postavlja, je, zakaj različni delci, fermioni, to je leptoni in kvarki nastopajo v različnih oblikah: lahko so levi ali desni, lahko čutijo šibko ali pa močno interakcijo, lahko se razlikujejo tudi po električnem naboju. Vprašanje je, zakaj jih imamo toliko, zakaj nimamo samo enega delca ali pa vsaj manj delcev. To bi bilo veliko bolj preprosto.
Tretje bistveno vprašanje pa je, zakaj imamo kvantizacijo naboja oziroma, povedano drugače, zakaj imajo vsi delci električni naboj, ki je cel večkratnik nekega minimalnega naboja. V naravi namreč ne poznamo ničesar, kar bi imelo na primer 2,6 minimalnega naboja.
Na vsa ta tri temeljna vprašanja odgovori teorija poenotenja, katere glavna ideja je, da vse tri umeritvene interakcije standardnega modela pri visoki energiji izvirajo iz ene same poenotene interakcije. To istočasno poenoti tudi osnovne gradnike – delce. Vse te različne oblike materije, kot so vsi ti različni kvarki in leptoni, združi v največ dva, lahko pa tudi celo v en sam tip delca.
Kot pravite, se to lahko zgodi samo pri zelo visokih energijah?
Interakcije, o katerih sem govoril, oziroma sile, ki delujejo med delci, se spreminjajo z energijo. Indikacije so, da pri zelo visokih energijah, se pravi, približno 10.000-milijardkrat višjih energijah, kot jih merimo danes v Cernu, si postajajo te interakcije vse bolj podobne, dokler niso res popolnoma enake. To je hipoteza, vendar če vemo, kako se interakcije z velikostjo energije spreminjajo, kar za nizke energije vemo, in če ta spoznanja ekstrapoliramo, potem dobimo ob določenih predpostavkah prav to poenotenje.
Kaj napoveduje teorija poenotenja?
Posledice te ideje so daljnosežne: avtomatičen obstoj magnetnih monopolov, razpad protona in poenoten opis kvantnih lastnosti snovi, na primer zakaj imajo nekateri delci podobno maso ali zakaj so nevtrinske mase precej manjše od mas nabitih fermionov. Kakor je že pred več kot 80 leti napovedal znameniti angleški teoretski fizik Paul Dirac, je mogoče pokazati – in on je pokazal – da če obstaja en sam magnetni monopol v vesolju, so vsi električni naboji med seboj povezani in kvantizirani. To pomeni, da so celi večkratniki nekega minimalnega naboja, in teorija poenotenja ima avtomatično takšne rešitve enačb gibanja, da iz njih sledijo magnetni monopoli.
Vendar za zdaj magnetnih monopolov še niso odkrili?
V naravi do zdaj še nismo odkrili nobenih magnetnih monopolov, so vedno dipoli, v nasprotju z električnimi monopoli; za magnete pa vemo, da imajo dva pola, severnega in južnega skupaj. Magnetni monopol pa bi bil nekaj takega, kot da bi imeli samo sever ali samo jug, kar je povezano s kvantizacijo naboja. Morda obstajajo v naravi, lahko bi bili v vesolju že od njegovega začetka. Na tem področju je še veliko problemov in kakor nakazuje kozmologija, jih na žalost najbrž ne bo mogoče odkriti, in to iz več razlogov, predvsem zaradi kozmične inflacije, ki je zelo verjetno magnetne monopole sprala, zato je njihova gostota zdaj najverjetneje premajhna, da bi jih lahko odkrili. Sicer pa bi jih bilo načelno mogoče izmeriti. Magnetni monopoli naj bi bili izjemno težki in jih zato ni mogoče ustvariti v laboratoriju.
Med napovedmi teorije poenotenja ste omenili tudi razpad protona, ki ga že veliko let poskušajo izmeriti v laboratoriju Super Kamiokande na Japonskem, a neuspešno. Izmerili pa so mase nevtrinov, za kar je tamkajšnji raziskovalec Takaaki Kadžita lani prejel Nobelovo nagrado za fiziko.
To je bilo res presenetljivo! Super Kamiokande je bil zgrajen z namenom, da bi izmerili razpad protona, a so nehote odkrili oscilacije nevtrinov in s tem odprli popolnoma novo poglavje v fiziki, in sicer poglavje o nevtrinskih masah. To je zelo zanimiv primer, kako v znanosti marsikdaj ne vemo, kaj bomo odkrili. Pri raziskovalnem delu rezultatov eksperimentov torej ne moremo napovedati. Čisto preprosto lahko pride do velikih presenečenj. Nekaj zgradimo, nekaj iščemo, dobimo pa nekaj drugega, kar je lahko enako pomembno, ali pa celo pomembnejše in bolj zanimivo od tistega, kar smo pričakovali.
Mislite, da bodo taki eksperimenti končno vendarle zaznali razpad protona?
Najbolj izstopajoča napoved teorije poenotenja je verjetno prav razpad protona, ki je v standardnem modelu osnovnih delcev in interakcij absolutno stabilen. To je fantastična napoved, ki spremeni marsikaj v našem zaznavanju vesolja. Teorija poenotenja namreč napoveduje, v kaj bi proton lahko razpadel, kakšni naj bi bili razpadni časi in podobno. To delo poteka teoretsko, neposredno otipati pojave z veliko verjetnostjo pa ni mogoče, saj bi tovrstni eksperimenti zahtevali zelo visoke energije, precej višje, kot jih dosega veliki hadronski trkalnik v Cernu. Lahko pa poskušamo izmeriti malo verjetne pojave, kakršen je na primer protonski razpad.
Super Kamiokande je trenutno največji detektor na svetu, namenjen opazovanju razpada protona. Ta naj bi, kakor kažejo rešitve enačb, razpadel v lažje energetsko nabite delce, elektrone, muone, pione, in druge delce, ki jih je možno opazovati. V standardnem modelu je proton stabilen in pri nižjih energijah preprosto ne more razpasti. Ampak, kot sem že dejal, si postanejo pri zelo visokih energijah delci, kot so kvarki in leptoni, medsebojno podobni in so pri najvišjih energijah pravzaprav isti delec.
Torej proton lahko razpade, denimo, v nevtralen pion, ki je sestavljen iz kvarka in antikvarka, ter pozitron, ki je antidelec elektrona, in tako se še vedno ohrani električni naboj. Vse te dogodke poskušajo detektirati v laboratoriju Super Kamiokande, kjer izvajajo meritve v nekdanjem rudniku tisoč metrov pod zemeljskim površjem. V bazenu, v katerem je 50.000 ton popolnoma čiste vode, so povsod naokoli nameščeni detektorji in znanstveniki čakajo, da bodo izmerili pravi signal.
Ste izračunali tudi razpadni čas protona?
Razpadni čas je gotovo večji kot 1034 let, kar pomeni 1 in 34 ničel oziroma 10 milijonov milijard milijard milijard let. Za primerjavo: kozmologi starost našega vesolja ocenjujejo na le 13,8 milijarde let, torej bi zaman čakali na razpad enega samega protona.
Vendar Super Kamiokande nenehno meri ogromno protonov, saj si lahko mislimo, koliko jih je že samo v enem litru vode in koliko litrov vode imajo tam. In čeprav razpad protona merijo že leta in leta, pravzaprav kar desetletja, niso zaznali še nobenega takšnega dogodka. Morda so sicer dva takšna signala zaznali pred kratkim, o tem so krožile govorice, vendar ne gre za nič določnega. Oba dogodka sta še vedno skladna z napako, ne gre za nikakršen zanesljiv signal, morda je to zgolj indikacija.
Vendar si še vedno prizadevajo, da bi tak dogodek zaznali?
Še vedno poskušajo vse te meritve izboljšati, predvsem pa razmišljajo o tem, da bi Super Kamiokande povečali in ga nadgradili v Hiper Kamiokande. Za zdaj so to samo predlogi in načrti, ki še čakajo na uresničitev, saj je seveda glavni problem denar. Tovrstne raziskave zato zelo počasi napredujejo pa tudi dejstvo, da protonski razpad iščemo že dolga leta in ga še vedno nismo našli, pove, da to ni lahka naloga. Morda to niti ni prava smer, kljub vsemu pa nekateri od nas verjamemo, da bomo prej ali slej protonski razpad našli.
Dr. Mojca Vizjak Pavšič
