Bandant spalvotąsias teorijas

Fizikai didžiajame hadronų priešpriešinių srautų greitintuve (angl. Large Hadron Collider) tikisi užregistruoti Higso (Higs) bozonus, tai yra daleles, kurios, kaip manoma, suteikia masę medžiagai.

Higso bozonai yra pagrindinis “standartinio” modelio elementas. “Standartinis” modelis apibrėžia ryšį tarp jėgų Visatoje. O kas, jeigu Higso bozonai nėra elementariosios dalelės, bet sudaro surištą kitų dar neregistruotų dalelių būseną.

“Nuo pat standartinio modelio pradžios žmonės nebuvo patenkinti idėja, kad Higso bozonas yra elementarioji dalelė”, - pasakė Tomas Degrandas (Thomas DeGrand), kuris yra Kolorado universiteto fizikos profesorius.

Mokslininkai, kurie nagrinėja alternatyvius dalelių fizikos modelius, remiasi superlaidumo teorijos pavyzdžiu. Superlaidinė būsena, kuri labai skiriasi nuo įprastos medžiagos būsenos, nėra charakterizuojama naujomis dalelėmis. Superlaidinė būsena yra aprašoma Kuperio (Cooper) poromis, kurias sudaro surištos elektronų būsenos.

Standartiniame dalelių fizikos modelyje priimta, kad protonai ir neutronai, kuriuos mes labai gerai žinome, ir kurie sudaro atomų branduolį, yra sudaryti iš kitos elementariųjų dalelių rūšies, vadinamos kvarkais ir gliuonais. Šios dalelės negali būti stebimos atskirai, nes jas stiprioji sąveika laiko tvirtai surakinusi. Eksperimentai leido fizikams padaryti išvadą, kad egzistuoja trijų rūšių kvarkai, kurių kiekvienas gali būti aprašomas trimis skirtingomis būsenomis, kurios vadinamos spalva.

Niekas nežino, kokios yra dalelės sudedamosios dalys standartiniame modelyje. Būtų logiška manyti, kad egzistuoja daugiau kvarkų ir gliuonų rūšių, aprašomų skirtinga spalva bei pasižyminčių didele tarpusavio sąveika. Šios teorijos yra vadinamos spalvotosiomis teorijomis.

Degrandas praleido daugelį metų nagrinėdamas kvarkų ir gliuonų sąveikos teoriją, vadinamą kvantine chromodinamika. Vėliau jo dėmesį prikaustė spalvotosios teorijos. Jis yra vienas iš šios fizikos srities knygos autorių.

Tačiau kvantinė chromodinamika neaprašo visų standartinio modelio aspektų, o ypač necharakterizuojama galutinės neatrastosios dalelės prigimtis. Didžiojo hadronų priešpriešinių srautų greitintuvo sukonstravimas ir pojūtis, kad naujos žinios mūsų laukia tuojau pat už kampo, sukėlė Degrando susidomėjimą alternatyviosiomis dalelių fizikos teorijomis.

“Pasijutau pavargęs nuo kvantinės chromodinamikos sąlygotumo, - pasakė Degrandas. - Spalvotosios teorijos sprendė daug įdomesnius klausimus”.

Per paskutinius penkerius metus mokslininkai suprato, kad daugelis skaičiavimo metodų, išrastų kvantinės chromodinamikos klausimams nagrinėti, gali būti pritaikyti ir spalvotosiose teorijose. 2008 metais du kolegos Jigalis Šamiras (Yigal Shamir) ir Bendžaminas Svetitskis (Benjamin Svetitsky) iš Tel Avivo universiteto pakvietė Degrandą prisidėti prie jų mokslinės grupės. Taikydami tas pačias technikas, kurias Degrandas naudojo kvantinėje chromodinamikoje, mokslininkai pradėjo nagrinėti įvairias spalvotąsias teorijas, darydami išvadas apie keistus šių sukurtų pasaulių reiškinius.

Savo skaičiavimams grupė naudojo vieną galingiausių superkompiuterių, esantį Teksaso pažangaus skaičiavimo centre. Modelyje buvo naudojama išgalvota gardelė, kurioje buvo patalpinamos įvairaus dydžio dėžės, charakterizuojančios sistemos energetines charakteristikas.

“Mes galėjome atlikti tai, ko eksperimentuotojai negali padaryti, - sakė Degrandas. - Bet būdami teoretikais, mes galime sukurti pasaulius, kuriuose sistema apibrėžiama atitinkamo dydžio dėže. Galėjome išmatuoti kvarkų ir gliuonų sąveikos stiprumą didelėse dėžėse, mažose dėžėse ir vidutinio dydžio dėžėse, bei įvertinti kaip sąveika keičiasi. Energijos ir impulso mąstelių kitimas yra susijęs su sistemos fizikinio dydžio kitimu.”

Superkompiuteris šiame darbe suvaidino esminį vaidmenį, nes reikėjo spręsti sudėtingas kvantines lygtis dideliam dalelių skaičiui. Per paskutinius du metus Degrandas su kolegomis išnaudojo apie tris milijonus procesoriaus skaičiavimo valandų (tai atitinka tris šimtus keturiasdešimt metų vieno procesoriaus skaičiavimo laiko) bandydami aprašyti naujas daleles, sudarytas iš dviejų ir trijų spalvų kvarkų. Sudėtingi skaičiavimai padėjo aprašyti naujų dalelių savybes ir nustatyti, ar jos tiktų fizikai, esančiai už standartinio modelio.

Gauti skaičiavimų rezultatai parodė, kad paprasčiausi spalvotieji modeliai, kurie aprašomi dviem spalvomis, pasižymi savybėmis labai besiskiriančiomis nuo įprastos dalelių sistemos. Tokioms sistemoms charakterizuoti Harvardo universiteto profesorius H. Džordži (H. Georgi) net sugalvojo pavadinimą - “nedalelių teorija”.

Tačiau trijų spalvų sistemos buvo truputį paslaptingesnės. Mokslininkai negalėjo pasakyti, ar tai dalelių teorija ar nedalelių teorija. Beje tokie skaičiavimai neatkūrė realaus pasaulio scenarijaus. Norint, kad spalvotoji teorija galėtų kandidatuoti į naują fiziką, ji turi pasižymėti neįprastu elgesiu ir nekonfliktuoti su šių dienų eksperimentiniais rezultatais. Mokslininkai šiuo metu tęsia savo skaičiavimus nagrinėdami keturių spalvų kvarkų sistemas.

„Idėja, kad Higso mechanizmas gali būti paaiškintas vis dar neatrastų elementariųjų dalelių stipriąja sąveika, kurį laiką buvo su mumis. Iki šiol to nebuvo įmanoma padaryti dėl skaičiavimo resursų nebuvimo, - pasakė Jutos universiteto mokslininkas Karltonas Detaras (Carlton DeTar), kuris ilgą laiką bendradarbiauja su tyrimus vykdančia grupe, bet dabartiniame tyrime nedalyvauja. - Degrandas su kolegomis yra viena pažangiausių mokslininkų grupių pasaulyje naudojančių galingus skaitmeninius modelius alternatyviems tyrimams. Šie rezultatai gali reikšmingai prisidėti prie Higso dalelių paieškos Didžiajame hadronų priešpriešinių srautų greitintuve pastatytame Europoje“.

„Tai labai rizikingas, bet galintis turėti labai didelę svarbą tyrimas“, - pasakė Degrandas.

Tačiau jei jis su kolegomis atrastų vertingą standartinio modelio alternatyvą, tai, galbūt, būtų sukurta viską apimanti teorija.