|
Το καθιερωμένο πρότυπο που δεχόμαστε σήμερα στη φυσική των
στοιχειωδών σωματιδίων, δέχεται ότι η ύλη και πιο συγκεκριμένα τα
αδρόνια από τα οποία είναι φτιαγμένοι οι πυρήνες, αποτελούνται από
κουάρκς, τα οποία συγκρατούνται μαζί με ισχυρές πυρηνικές
δυνάμεις. Οι τελευταίες, εξηγούνται ως προϊόν ανταλλαγής μεταξύ
των κουάρκς, κάποιων σωματιδίων φορέων της ισχυρής πυρηνικής
δύναμης που ονομάζονται γκλουόνια. Η κβαντική χρωμοδυναμική λοιπόν
είναι η επικρατούσα θεωρία με την οποία κάνουμε τους υπολογισμούς
μας για τη μάζα των αδρονίων και τις ενεργειακές καταστάσεις στις
οποίες μπορούν να βρεθούν τα συσσωματώματα των κουάρκς καθώς
σχηματίζουν τα αδρόνια στοιχειώδη σωματίδια.
Το πρωτόνιο για παράδειγμα, το οποίο είναι μαζί με το νετρόνιο το
πιο συνηθισμένο αδρόνιο, λέμε ότι αποτελείται από 3 δέσμια
κουάρκς - 2 επάνω κουάρκς (up) και ένα κάτω κουάρκ (down). Αυτά τα
κουάρκς βρίσκονται όμως μέσα σε μια θάλασσα από μυριάδες άλλα
δυνάμει κουάρκς (virtual), τα οποία σχηματίζονται στιγμιαία από
το κενό κατά ζεύγη, ζουν ελάχιστα και εξαφανίζονται. Κατά τη
διάρκεια όμως της ζωής τους αλληλεπιδρούν με τα δέσμια κουάρκς και
επηρεάζουν έτσι τη μάζα και την ενέργεια του πρωτονίου.
Η κατάσταση αυτή μοιάζει με τα δέσμια ηλεκτρόνια που βρίσκονται
στις στιβάδες των ατόμων. Τα ηλεκτρόνια αυτά αλληλεπιδρούν μεταξύ
τους, αλλά αλληλεπιδρούν και με μια θάλασσα από δυνάμει ηλεκτρόνια
και ποζιτρόνια που είναι στιγμιαία δημιουργήματα του κενού. Αν
θέλουμε να υπολογίσουμε τις ενεργειακές στάθμες του ατόμου,
υπολογίζουμε σε πρώτη προσέγγιση τις αλληλεπιδράσεις των δέσμιων
ηλεκτρονίων με τον πυρήνα και μεταξύ τους, αλλά αν επιζητούμε
μεγαλύτερη ακρίβεια πρέπει να λάβουμε υπόψιν μας και τις
αλληλεπιδράσεις των δέσμιων με τα δυνάμει ηλεκτρόνια και
ποζιτρόνια. Οι υπολογισμοί αυτοί έχουν γίνει για τα άτομα από την
κβαντική ηλεκτροδυναμική και η πειραματική επιβεβαίωσή τους
απετέλεσε ένα θρίαμβο για την κβαντική ηλεκτροδυναμική.
Η κβαντική χρωμοδυναμική όμως, όταν προσπαθεί να κάνει παρόμοιους
υπολογισμούς για τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των δέσμιων κουάρκς
και των δυνάμει κουάρκς, προκειμένου να υπολογίσει τις μάζες των
αδρονίων, συναντάει πολύ μεγαλύτερες δυσκολίες, γιατί η μορφή του
φορμαλισμού αυτού είναι τέτοια ώστε οι διάφορες προσεγγίσεις στο
πρόβλημα των πολλών σωμάτων όπως είναι η αλληλεπίδραση με τη
θάλασσα των κουάρκς, οδηγούν συχνά σε απειρισμούς των
υπολογιζόμενων ενεργειών.
Μια ομάδα θεωρητικών φυσικών έκανε πρόσφατα την καλύτερη μέχρι
σήμερα πρόβλεψη για τη μάζα ενός σωματιδίου. Και μάλιστα, η τύχη
τα έφερε έτσι ώστε μέσα σε λίγες μέρες από την υποβολή της
εργασίας στο περιοδικό Physical Review Letters, η μάζα του
σωματιδίου αυτού μετρήθηκε στο εργαστήριο Fermilab, στηρίζοντας
ισχυρά την θεωρητική πρόβλεψη. Πως ακριβώς όμως υπολογίζεται η
μάζα που έχουν τα διάφορα σωματίδια;
Ένα πολύ ισχυρό υπολογιστικό εργαλείο στα χέρια των φυσικών για
την αλληλεπίδραση των κουάρκς είναι η λεγόμενη κβαντική
χρωμοδυναμική πλέγματος.
Φαντασθείτε τα κουάρκς τοποθετημένα στις κορυφές μιας υποθετικής
κρυσταλλικής δομής. Στη συνέχεια θεωρούμε ότι τα κουάρκς
αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με ανταλλαγή γκλουονίων που γίνεται κατά
μήκος των συνδέσμων του πλέγματος των κουάρκς. Με το σχήμα αυτό
μπορούμε να υπολογίσουμε τις μάζες των γνωστών αδρονίων όπως είναι
τα μεσόνια και τα βαρυόνια. Στα βαρυόνια ανήκουν το πρωτόνιο και
το νετρόνιο που είναι τα συστατικά κάθε ατομικού πυρήνα.
Μέχρι πρόσφατα όμως, οι υπολογισμοί γίνονταν μόνο χοντρικά. Μια
σημαντική βελτίωση επ΄ήλθε το 2003, όταν οι απροσδιοριστίες στον
υπολογισμό της μάζας έπεσαν από το επίπεδο του 10% στο 2%. Η μάζα
του πρωτονίου για παράδειγμα μπορούσε τώρα να προβλεφθεί με
προσέγγιση μερικών μονάδων μόνο επί τοις εκατό σε σχέση με την
πραγματική τιμή της. Η πρόοδος αυτή συντελέστηκε μέσα από μια
καλύτερη κατανόηση της αλληλεπίδρασης των ελαφρών κουάρκς και από
μεγαλύτερη ισχύ των υπολογιστών που είχαν στη διάθεσή τους οι
φυσικοί.
Συγχρόνως, η βελτίωση αυτή εξόπλισε τους φυσικούς και με μια πιο
ρεαλιστική μεταχείριση της θάλασσας των δυνάμει κουάρκς, δηλαδή
των εφήμερων εικονικών κουάρκς που ξεπηδούν από το κενό και έχουν
σημαντική επίδραση επί των δέσμιων κουάρκς, όπως είπαμε και
παραπάνω. Τώρα λοιπόν για πρώτη φορά έχει προβλεφθεί η μάζα ενός
αδρονίου με την QCD πλέγματος.
Ο Andreas Kronfeld και οι συνεργάτες του στο Fermilab, στο
πανεπιστήμιο της Γλασκώβης και στο πανεπιστήμιο του Ohio, ανέφεραν
τον υπολογισμό της μάζας του λεγόμενου "γοητευμένου Β μεσονίου",
Bc για συντομία, το οποίο αποτελείται από ένα αντι-κουάρκ πυθμένα
(bottom) και ένα γοητευμένο (charmed) κουάρκ. Η τιμή που
προέβλεψαν είναι 6304 +/- 20 MeV. Η αξιοσημείωτη ακρίβεια, δεν
επιτεύχθηκε μόνο από τις βελτιώσεις που αναφέρθηκαν πιο πάνω, αλλά
και από τη μέθοδο με την οποία οι ερευνητές αντιμετώπισαν τα βαριά
κουάρκς. Λίγες μέρες μετά την υποβολή της εργασίας τους προς
δημοσίευση, αναγγέλθηκε η πρώτη καλή πειραματική μέτρηση της μάζας
του εν λόγω σωματιδίου: 6287 +/- 5 MeV.
Η επιτυχημένη αυτή πιστοποίηση, είναι ενδιαφέρουσα γιατί ενισχύει
την άποψη ότι η κβαντική χρωμοδυναμική πλέγματος μπορεί να
χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό πολλών άλλων ιδιοτήτων των
αδρονίων.
|
