Είναι πια επιβεβαιωμένο: Η ύλη είναι απλώς διακυμάνσεις του κενού

Πηγή: NewScientist, 20 Νοεμβρίου 2008

Η ύλη είναι χτισμένη πάνω σε εκκεντρικά θεμέλια. Οι φυσικοί έχουν πλέον επιβεβαιωθεί ότι η φαινομενικά στέρεα ουσία είναι στην πραγματικότητα τίποτα άλλο παρά διακυμάνσεις του κβαντικού κενού.

Οι ερευνητές προσομοίωσαν την φρενήρη δραστηριότητα που συνεχίζεται μέσα στα πρωτόνια και νετρόνια. Τα σωματίδια αυτά αποτελούν σχεδόν όλη τη μάζα της συνηθισμένης  ύλης στον Κόσμο.

Κάθε πρωτόνιο (ή νετρόνιο) αποτελείται από τρία κουάρκ - αλλά οι μεμονωμένες μάζες αυτών των τριών κουάρκ αποτελούν έως το 1% περίπου της μάζας του πρωτονίου μόνο. Από πού προέρχεται το υπόλοιπο τμήμα της μάζα του;

Η θεωρία λέει ότι έχει δημιουργηθεί από την δύναμη, που συνδέει μαζί τα κουάρκ, δηλαδή την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Από κβαντική άποψη, η ισχυρή δύναμη μεταφέρεται από ένα πεδίο εικονικών σωματιδίων που ονομάζονται γκλουόνια, που τυχαία αναδύονται στον υπαρκτό κόσμο και μετά εξαφανίζονται. Η ενέργεια λοιπόν αυτών των διακυμάνσεων του κενού πρέπει να συμπεριληφθούν στη συνολική μάζα των πρωτονίων και νετρονίων.

Αλλά θέλουμε δεκαετίες για την επεξεργασία των πραγματικών αριθμών. Η ισχυρή δύναμη περιγράφεται από τις εξισώσεις της κβαντικής χρωμοδυναμικής (QCD), που είναι πολύ δύσκολο να επιλυθούν στις περισσότερες περιπτώσεις.

Έτσι οι φυσικοί έχουν αναπτύξει μια μέθοδο που ονομάζεται πλεγματική κβαντική χρωμοδυναμική, που αναπαράγουν τον ομαλό χώρο και χρόνο ως ένα πλέγμα από επιμέρους σημεία σαν ένα δίκτυο. Αυτή η προσέγγιση του συνεχούς χώρου και χρόνου με πίξελ επιτρέπει την πολυπλοκότητα της ισχυρής δύναμης να εξομοιώνεται κάπως με ηλεκτρονικό υπολογιστή.

Δύστροπος υπολογισμός

Μέχρι πρόσφατα, οι υπολογισμοί της πλεγματικής QCD συγκεντρώνονταν μόνο στα εικονικά γκλουόνια, και αγνοούνταν μια άλλη σημαντική συνιστώσα του κενού: τα ζεύγη των εικονικών κουάρκ και αντικουάρκ.

Τα ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ μπορεί να αναδυθούν και στιγμιαία να μετασχηματίσουν ένα πρωτόνιο σε ένα διαφορετικό, πιο εξωτικό σωματίδιο. Στην πραγματικότητα, το αληθινό πρωτόνιο είναι το άθροισμα όλων αυτών των δυνατοτήτων που έχουν τα ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ να εξελιχθούν.

Τα εικονικά κουάρκ κάνουν τους υπολογισμούς πολύ πιο περίπλοκους, με τη συμμετοχή ενός πίνακα πάνω από 10.000 τρισεκατομμύρια αριθμούς, λέει ο Stephan Dürr του Ινστιτούτου John von Neumann στο Jülich της Γερμανίας, που καθοδήγησε την ομάδα.

"Δεν υπάρχει υπολογιστής στη Γη που θα μπορούσε ενδεχομένως να αποθηκεύσει τόσο μεγάλη μήτρα στη μνήμη του", λέει ο Dürr, "γι αυτό και κάνουμε ένα τρικ για την αξιολόγηση του".

Συντόμευση του χρόνου

Αρκετές ομάδες έχουν δουλέψει με τους δικούς τους τρόπους για να χειριστούν αυτά τα τεχνικά προβλήματα, και μάλιστα πριν από πέντε χρόνια μια ομάδα με επικεφαλής τον Christine Davies του πανεπιστημίου της Γλασκώβης, κατάφερε να υπολογίσει τη μάζα του εξωτικού σωματιδίου B_c μεσόνιου.

Αυτό το σωματίδιο περιλαμβάνει μόνο δύο κουάρκ, κάνοντας έτσι πιο απλή την προσομοίωση από όσο το πρωτόνιο με τα τρία κουάρκ. Για να αντιμετωπίσει τα πρωτόνια και νετρόνια, η ομάδα του Dürr χρησιμοποίησε σύνολο χρόνου περισσότερο από ένα έτος σε ένα δίκτυο υπολογιστών στο Jülich, που μπορεί να χειριστεί 200 teraflops - ή 200 τρισεκατομμύρια αριθμητικούς υπολογισμούς ανά δευτερόλεπτο.

Ακόμα και με τόση ταχύτητα, έπρεπε να προσαρμόσουνε τον κώδικα  για να χρησιμοποιήσουν πιο αποτελεσματικά το δίκτυο.

Δίχως να υπολογίσουν τα κουάρκ, οι παλαιότερες προσομοιώσεις έκαναν ένα λάθος στη μάζα των πρωτονίων περίπου 10%. Μαζί με αυτά, ο Dürr μείωσε το λάθος στο 2% από την τιμή που μετρήθηκε στα πειράματα.

Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η μάζα ενός νουκεονίου (ο υπολογισμός δεν μπορεί να γίνει διάκριση μεταξύ πρωτονίου και νετρονίου) είναι 936 MeV/C² με στατιστικές και συστηματικές αβεβαιότητες  ± 25 και ± 22 MeV/C² αντίστοιχα. Η γνωστή μάζα των πρωτονίων και νετρονίων είναι 938 και 940 MeV/C² αντίστοιχα.

Η ομάδα είναι επίσης σε θέση να χρησιμοποιήσει την τεχνική αυτή για να υπολογίσει τη μάζα δύο μεσονίων και επτά βαρύτερων βαρυονίωνs.

Πεδίο Higgs

Αν και οι φυσικοί αναμένουν τελικά να ταιριάξουν τα πειράματα με τη θεωρία, πρόκειται για ένα σημαντικό ορόσημο. "Το μεγάλο γεγονός είναι ότι το αποτέλεσμα δείχνει ότι μπορείτε να φτάσετε κοντά στα πειράματα", λέει ο Davies. "Τώρα που γνωρίζουμε ότι η πλεγματική κβαντική χρωμοδυναμική δουλεύει, θέλουμε να γίνουν ακριβείς υπολογισμοί των ιδιοτήτων των σωματιδίων, δεν πρόκειται μόνο για τη μάζα."

Αυτό θα επιτρέψει στους φυσικούς να δοκιμαστεί η QCD, και να αναζητήσουν για φαινόμενα, πέραν της γνωστής φυσικής. Για τώρα, οι υπολογισμοί του Dürr δείχνουν ότι η QCD περιγράφει τα σωματίδια με βάση τα κουάρκ με ακρίβεια, και μας λέει ότι η περισσότερη από τη μάζα μας προέρχεται από τα εικονικά κουάρκ και γκλουόνια που αναβράζουν στο κβαντικό κενό.

Το πεδίο Higgs υπάρχει η άποψη πως έχει μια μικρή συμβολή στη μάζα, δίνοντας βάρος στα ατομικά κουάρκ καθώς και σε ηλεκτρόνια όπως και σε κάποια άλλα σωματίδια. Το πεδίο Higgs δημιουργεί μάζα από το ίδιο το κβαντικό κενό, με τη μορφή των εικονικών μποζονίων Higgs.

Έτσι αν ο επιταχυντής LHC επιβεβαιώσει ότι το Higgs υπάρχει, θα σημαίνει όλα στον Κόσμο μας είναι μια εικονική πραγματικότητα.

Ο διαχωρισμός της ασθενούς από την ισχυρή δύναμη

Ενώ ο υπολογισμός της μάζας του πρωτονίου φαίνεται σχεδόν συντριπτικά ακριβής, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι με την εργασία αυτή είναι δυνατόν να κάνουν σημαντικές προβλέψεις για το ρόλο της ισχυρής δύναμης στο σωματίδιο αλληλεπιδράσεις που σύντομα θα σημειωθούν στον LHC.

Για παράδειγμα η CP παραβίαση συνήθως συνδέεται με την ασθενή δύναμη μεταξύ των κουάρκ, αλλά τα κουάρκ πάντα αλληλεπιδρούν ισχυρά, με αποτέλεσμα να πρέπει επίσης να εξεταστεί η ισχυρή δύναμη. Το πείραμα LHCb στο  στον επιταχυντή LHC προτίθεται να διερευνήσει αυτές τις διαδικασίες για την CP παραβίαση ή ακόμη και νέα φυσικά φαινόμενα. Η δε ερμηνεία των αποτελεσμάτων θα απαιτήσει ακριβείς υπολογισμοί των ιδιοτήτων των σωματιδίων που περιέχουν το bottom quark.