Το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι ένα ποίημα συμμετρίας και ομορφιάς. Είναι η πιο αυστηρή θεωρία της σωματιδιακής φυσικής, απίστευτα ακριβής και σωστή στις προβλέψεις της. Καθορίζει μαθηματικά τα 17 θεμελιώδη σωματίδια της φύσης: έξι κουάρκς, έξι λεπτόνια, τέσσερα σωματίδια φορέων των δυνάμεων και το μποζόνιο Higgs. Αυτά εξουσιάζονται από τις ηλεκτρομαγνητικές, τις ασθενείς και τις ισχυρές δυνάμεις.
Το καλύτερο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων εξηγεί μόνο το 5% περίπου του σύμπαντος
Τα τελευταία 50 χρόνια ένα τέτοιο σύστημα επέτρεψε στους επιστήμονες να ενσωματώσουν τη σωματιδιακή φυσική σε μια ενιαία εξίσωση που εξηγεί τα περισσότερα από αυτά που μπορούμε να δούμε στον κόσμο γύρω μας.
“Το Καθιερωμένο Μοντέλο μας λέει ότι κάθε αντικείμενο του σύμπαντος δεν είναι ανεξάρτητο και ότι κάθε σωματίδιο υπάρχει για έναν λόγο.”, λέει ο Μεξικανός Saúl Ramos. Παρά την μεγάλη προγνωστική δύναμη, ωστόσο, το Καθιερωμένο Μοντέλο δεν απαντά σε πέντε κρίσιμα ερωτήματα, γι ‘αυτό και οι φυσικοί των σωματιδίων γνωρίζουν ότι η δουλειά τους δεν έχει ακόμη γίνει.
1. Γιατί τα νετρίνα έχουν μάζα;
Τρία από τα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου είναι διαφορετικοί τύποι των νετρίνων. Το Καθιερωμένο Μοντέλο προβλέπει ότι, όπως και τα φωτόνια, τα νετρίνα δεν πρέπει να έχουν μάζα. Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν βρει ότι τα τρία νετρίνα ταλαντεύονται, δηλαδή μετατρέπονται το ένα σε ένα άλλο, καθώς κινούνται. Αυτό το κατόρθωμα είναι εφικτό μόνο και μόνο επειδή τα νετρίνα δεν είναι άμαζα.
“Αν χρησιμοποιήσουμε τις θεωρίες που έχουμε σήμερα, παίρνουμε λάθος απάντηση”, λέει ο André de Gouvêa, καθηγητής στο Northwestern University.
Το Μοντέλο έκανε λάθος στα νετρίνα, αλλά παραμένει να δούμε πόσο λάθος είναι. Εξάλλου, η μάζα των νετρίνων είναι αρκετά μικρή. Οφείλεται ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο έχει αστοχίες, ή υπάρχουν περισσότερα που δεν γνωρίζουμε για τα νετρίνα; Μερικά πειραματικά αποτελέσματα έχουν δείξει, για παράδειγμα, ότι μπορεί να υπάρχει ένας τέταρτος τύπος νετρίνων που ονομάζεται άγονο νετρίνο που δεν έχουμε ακόμη ανακαλύψει.
2. Τι είναι η σκοτεινή ύλη;
Οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι έλειπε κάτι όταν παρατήρησαν ότι οι γαλαξίες περιστρέφονταν πολύ γρηγορότερα από ό, τι έπρεπε, με βάση την βαρυτική έλξη της ορατής ύλης. Στρέφονταν τόσο γρήγορα που έπρεπε να έχουν διαλυθεί. Κάτι όμως που δεν μπορούμε να δούμε, κάποια ουσία το οποίο οι επιστήμονες έχουν ονομάσει “σκοτεινή ύλη”, πρέπει να δίνει επιπλέον μάζα στους γαλαξίες και συνεπώς και σοβαρή έλξη στους γαλαξίες αυτούς.
Η σκοτεινή ύλη θεωρείται ότι αποτελεί το 27% του συνολικού περιεχομένου του σύμπαντος. Αλλά δεν περιλαμβάνεται στο Καθιερωμένο Μοντέλο.
Οι επιστήμονες αναζητούν τρόπους να μελετήσουν αυτή η μυστήρια ύλη και να εντοπίσουν τα δομικά της στοιχεία. Αν οι επιστήμονες μπορούσαν να δείξουν ότι η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με κάποιο τρόπο με την κανονική ύλη, «θα χρειαζόταν ακόμα ένα νέο μοντέλο, αλλά θα σήμαινε ότι το νέο μοντέλο και το πρότυπο μοντέλο συνδέονται», λέει η Andrea Albert, ερευνήτρια στο Εθνικό Εργαστήριο SLAC, που μελετά τη σκοτεινή ύλη. “Αυτό θα ήταν μια τεράστια αλλαγή.”
3. Γιατί υπάρχει τόση ύλη στο σύμπαν;
Κάθε φορά που δημιουργείται ένα σωματίδιο της ύλης – για παράδειγμα, σε μια σύγκρουση σωματιδίων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων ή στη διάσπαση ενός άλλου σωματιδίου – κανονικά υπάρχει και το αντισωματίδιο του. Όταν συναντώνται σε ίσα ποσά ύλη και αντιύλη, εξαφανίζει η μία την άλλη.
Οι επιστήμονες υποθέτουν ότι όταν το σύμπαν σχηματίστηκε κατά τη Μεγάλη Έκρηξη, η ύλη και η αντιύλη θα έπρεπε να έχουν παραχθεί σε ίσα μέρη. Ωστόσο, με κάποιους μηχανισμούς η ύλη κυριάρχησε της αντιύλης και έτσι το σύμπαν γύρω μας κυριαρχείται από την ύλη.
Το Τυπικό Μοντέλο δεν μπορεί να εξηγήσει την ανισορροπία. Πολλά διαφορετικά πειράματα μελετούν την ύλη και την αντιύλη στην αναζήτηση ενδείξεων γιατί ανατράπηκε η ισορροπία τους.
4. Γιατί επιταχύνεται η διαστολή του σύμπαντος;
Προτού οι επιστήμονες ήταν σε θέση να μετρήσουν την διαστολή του σύμπαντος μας, μάντευσαν ότι είχε ξεκινήσει πολύ γρήγορα τη διαστολή του μετά το Big Bang και στη συνέχεια, με την πάροδο του χρόνου, είχε αρχίσει να επιβραδύνεται. Γι ‘αυτό ήρθε στην κοινότητα των φυσικών σαν σοκ ότι, όχι μόνο η επέκταση του σύμπαντος δεν επιβραδύνεται – αλλά πράγματι επιταχύνεται.
Οι τελευταίες μετρήσεις από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και το παρατηρητήριο Gaia της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας δείχνουν ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται από μας στα 72 km ανά δευτερόλεπτο ανά 1 megaparsec ή 3.2 εκατομμύρια km . Αυτή η ταχύτητα πολλαπλασιάζεται για κάθε επιπλέον megaparsec σε σχέση με τη θέση μας.
Αυτός ο ρυθμός πιστεύεται ότι προέρχεται από μια ανεξήγητη ιδιότητα του χωροχρόνου που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια, η οποία ωθεί το σύμπαν να διαστέλλεται. Θεωρείται ότι αποτελεί το 68% περίπου της υλο-ενέργειας του σύμπαντος. “Αυτό είναι κάτι πολύ θεμελιώδες που κανείς δεν θα μπορούσε να περιμένει απλά κοιτάζοντας το Τυπικό Μοντέλο”, λέει ο de Gouvêa.
5. Υπάρχει σωματίδιο που να συνδέεται με τη δύναμη της βαρύτητας;
Το καθιερωμένο ή τυπικό μοντέλο δεν σχεδιάστηκε για να εξηγήσει τη βαρύτητα. Αυτή η τέταρτη και η ασθενέστερη δύναμη της φύσης δεν φαίνεται να έχει καμία επίδραση στις υποατομικές αλληλεπιδράσεις που εξηγεί το Τυπικό Μοντέλο.
Αλλά οι θεωρητικοί φυσικοί πιστεύουν ότι ένα υποατομικό σωματίδιο που ονομάζεται γκραβιτόνιο (graviton) μπορεί να μεταδώσει τη βαρύτητα με τον ίδιο τρόπο που τα σωματίδια που ονομάζονται φωτόνια μεταφέρουν την ηλεκτρομαγνητική δύναμη.
“Μετά την επιβεβαίωση της ύπαρξης βαρυτικών κυμάτων από το LIGO, ρωτάμε τώρα: Ποιο είναι το μικρότερο δυνατό κύμα βαρύτητας; Αυτό είναι σχεδόν σαν να ρωτούσαμε ποιό είναι το γκραβιτόνιο “, λέει ο Alberto Güijosa, καθηγητής στο Ινστιτούτο Πυρηνικών Επιστημών του Μεξικάνικου UNAM.
Αυτά τα πέντε μυστήρια είναι τα μεγάλα ζητήματα της φυσικής στον 21ο αιώνα, λέει ο Ramos. Ωστόσο, υπάρχουν ακόμη πιο θεμελιώδη αινίγματα, λέει:
Ποιά είναι η πηγή της χωροχρονικής γεωμετρίας; Από πού τα σωματίδια παίρνουν το spin τους; Γιατί είναι η ισχυρή δύναμη τόσο ισχυρή και η ασθενής δύναμη είναι τόσο αδύναμη;
Έχουν ακόμα πολλά να μελετηθούν, λέει ο Güijosa. “Ακόμη και αν καταλήξουμε σε μια τελική και τέλεια θεωρία για τα πάντα στα χέρια μας, θα συνεχίσουμε να κάνουμε πειράματα σε διαφορετικές καταστάσεις για να προωθήσουμε τα όριά της”.
“Είναι ένα πολύ κλασικό παράδειγμα της επιστημονικής μεθόδου σε δράση” λέει η Andrea Albert. “Με κάθε απάντηση έρχονται περισσότερες ερωτήσεις. τίποτα δεν τελειώνει ποτέ ».
