De ce exista mai multa materie decat antimaterie?

In primele momente ale Universului au fost create cantitati enorme atat de materie cat si de antimaterie. Ulterior, acestea s-au combinat si s-au anihilat generand energia care a condus laexpansiunea Universului. Dar din unele motive, exista mai multa materie decat antimaterie. Tot ceea ce vedem astazi reprezinta acea fractiune de materie care a “supravietuit”.

Intrebarea ramane “de ce”? De ce exista mai multa materie decat antimaterie, si de unde acest “dezechilibru” ce s-a petrecut imediat dupa Big Bang?

Cercetatorii de la Universitatea din Melbourne cred ca au gasit un posibil raspuns.

Universul este alcatuit aproape in totalitate din materie. In modelul standard al fizicii particulelor, materia si antimateria este aproape identica. Dupa ce materia si antimateria s-a “anihilat” una pe cealalta, o mica parte din materie a ramas, facand posibila existenta galaxiilor si a tuturor obiectelor existente in Universul observabil. Insa acest model nu explica diferenta dintre materie si antimaterie.

Cercetatorii de la Universitatea din Melbourne au folosit acceleratorul de particule KEK din Japonia pentru a crea particule numite mezoni B. Aceste particule contin un cuarc “bottom”, de aici si denumirea. Mezonii au o viata foarte scurta, cu o masa de aproximativ 200 de ori mai mare decat cea a unui electron. Particulele acestea contin un quark si un anti-quark ce orbiteaza una in jurul celeilalte precum Pamantul si Luna. Datorita mecanicii cuantice, quark-ul si anti-quark-ul orbiteaza in moduri diferite, depinzand de masa particulei.

Un mezon B este o particula grea, avand masa de 5 ori mai mare decat a unui proton.

In acceleratorul KEK, cercetatorii au putut crea atat mezoni B cat si anti-mezoni B si au aratat cum acestia s-au anihilat. Dupa ce procesul a avut loc, inca a mai ramas materie. Probabil asa cum s-a intamplat si la inceputul Universului, materia ramasa putand da nastere stelelor, planetelor si galaxiilor pe care le vedem astazi.

Laboratorul Fermilab

Echipa de cercetatori de la Fermilab au accelerat protoni si antiprotoni, provocand coliziuni ce au produs mai multe fragmente mici numite “muoni” si “anti-muoni”. Rezultatul a fost foarte interesant pentru faptul ca au obtinut mai multi muoni decat anti-muoni. Acest experiment a aratat victoria materiei asupra anti-materiei si ar putea fi o replicare la o scara mica a ceea ce oamenii de stiinta considera ca s-a intamplat la scurt timp dupa Big Bang. Cu toate acestea, experimentul nu a raspuns si la intrebarea: “de ce?”.

De unde aceasta asimetrie intre producerea de materie si antimaterie? Particulele produse in aceste ciocniri (proton si antiproton) sunt in general cu viata foarte scurta si se dezintegreaza in particule din ce in ce mai usoare si mai stabile, precum electronii sau muonii.

Cercetatorii de la Fermilab au obtinut dezintegrarea mezonilor B neutri in muoni si antimuoni. Rezultatele obtinute pot fi accesate la aceasta adresa: http://arxiv.org/abs/1005.2757

Daca in starea initiala au avut cantitati simetrice in ciocnirea dintre protoni si antiprotoni, se astepta ca si la final sa se obtina materie si antimaterie in cantitati egale. Totusi, rezultatele au aratat ca nu este asa. Muonii negativi au fost obtinuti intr-o cantitate mai mare decat cei pozitivi (antimaterie) aproximativ cu 1%. In timp ce ei oscileaza, se transforma in structuri de antiparticule corespunzatoare si revin periodic la starile initiale de particule. Diferenta consta in aceea ca mezonii Bs oscileaza mai rapid. Adica trec de la starea de materie la cea de antimaterie, dar ceea ce este interesant este ca petrec ceva mai mult timp in starea de materie decat in cea de antimaterie.

Bogdan Dobrescu de la Fermilab spune intr-un interviu acordat pentru Scientific American ca “surpriza este asa de mare incat nu indraznesc sa faca prea multa valva pana nu se verifica aceste rezultate, eventual si din alte experimente”. Bogdan Dobrescu a descris aceasta asimetrie prin introducerea unei noi particule. Si la LHC inca se cauta raspunsuri.

Acceleratorul de particule de la CERN

Acceleratorul de particule de la CERN incearca sa raspunda la aceasta intrebare. Ce mecanism este implicat si ce anume a provocat acesta asimetrie.

Teoria actuala, cunoscuta sub numele de Modelul Standard al fizicii particulelor a prezis o asimetrie intre materie si antimaterie. Dar nu suficient pentru a explica de ce exista mai multa materie, iar antimateria este extrem de rara.

Aceasta teorie incearca sa defineasca si sa explice particulele fundamentale care alcatuiesc Universul. Combina elemente din teoria relativitatii a lui Einstein cu teoria cuantica. De asemenea, implica si trei din cele patru forte fundamentale care exista in Univers: forta nucleara tare, forta nucleara slaba si forta electromagnetica. Cea de-a patru forta este gravitatia.

Modelul Standard face multe predictii despre univers si multe dintre acestea sunt in acord cu experimentele realizate. Dar exista si unele aspecte ale acestui model care au ramas nedemonstrate. Una dintre acestea este existenta unei particule, teoretica pana acum, numita bozonul Higgs.

Bozonul Higgs ar putea oferi raspunsuri la unele intrebari cu privire la masa, precum “de ce materia are masa?”. Cea mai simpla idee care incearca sa raspunda la aceasta intrebare este mecanismul Higgs.  Particula teoretica nu a fost observata si poate chiar sa nici nu existe. Cercetatorii de la LHC doresc sa confirme existenta particulei, sau sa o infirme. Orice rezultat s-ar obtine, ar oferi informatii noi si indicii ce ar putea duce la revolutionarea ideilor in lumea fizicii particulelor.

O alta intrebare pe care oamenii de stiinta o pun, este modul cum materia se comporta in conditiile primordiale de la inceptul Universului. In primele momente ale existentiei, materia s-a separat de energie, iar particulele de materie si anti-materie s-au anihilat una pe cealalata. Din fericire pentr noi, a ramas un surplus de materie in urma anihilarii.

In experimentele de la LHC s-ar putea observa cum se comporta materia si antimateria si ar putea oferi raspunsuri si explicatii, ajutandu-ne sa intelegem de ce a existat o diferenta foarte mica intre cantitatea de materie si cea de antimaterie.

Materia neagra

Materia neagra joaca un rol important in cercetarile de la LHC. Miscarea galaxiilor si a altor corpuri ceresti a sugerat ca exista mai multa materie in Univers, materie care nu a putut fi detectata. Aceasta materie nedetectabila a fost numita materie neagra, sau materie intunecata.

Impreuna, materia observabila cat si materia neagra alcatuiesc aproximativ 25% din Univers. Restul reprezinta o forta numita energie intunecata, la fel si ea, ipotetica, care contribuie la expansiunea Universului. Experimentele de la LHC ar putea oferi dovezi sa sustina existenta materiei intunecate dar si a energiei intunecate. In caz contrar, daca existenta acestora va fi infirmata, ar putea oferi noi informatii ce ar putea duce la teorii alternative.

Orice rezultat s-ar obtine, va fi un pas urias pentru lumea stiintifica si ne-ar oferi pentru prima data, raspunsuri la cele mai mari intrebari ale omenirii.

Unii cercetatori sustin ideea ca LHC-ul ar putea arata dovezi ale existentei a mai multor dimensiuni. Cele trei cunoscute noua sunt cele trei dimensiuni spatiale plus timpul. Acestia propun ideea existentei a mai multor dimensiuni pe care noi nu le putem percepe. De exemplu, teoria stringurilor (sau teoria corzilor) necesita existenta a nu mai putin de 11 dimensiuni.

Sustinatorii acestei teorii spera ca LHC-ul va oferi dovezi pentru a confirma modelul propus de ei.

Teoria Corzilor

Conform Teoriei Corzilor, particulele elementare sunt de fapt minuscule corzi vibrante de energie, inchise sau cu capete libere. Dimensiunea aproximativa este 10 la puterea – 33 cm (de 10 la puterea 18 ori mai mica decat a unui proton), fiecare mod de vibratie reprezentand o particula elementara. Daca atomul ar fi marit la diametrul sistemului solar, o coarda ar avea marimea unui copac! Asa cum corzile unui violoncel pot vibra la frecvente diferite, generand toate sunetele muzicale, Corzile vibreaza, se rasucesc si se onduleaza in moduri diferite, generand toate particulele elementare. Luati in considerare cele patru dimensiuni ale experientelor obisnuite: stanga-dreapta, inainte-inapoi, sus-jos si timp. Corzile in miscare au nevoie de inca sase sau chiar sapte extra dimensiuni, atat de minuscul rasucite si ondulate in forme complexe, incat sunt complet invizibile. Dimensiunile se asociaza cu directiile independente in care te poti misca, uneori numite “grade de libertate”. Extra dimensiunile sunt infasurate pe lungimea unei coarde. Numarul mare de dimensiuni sau grade de libertate creste complexitatea corzilor.

Unii cercetatori au criticat teoria corzilor, spunand ca nu exista dovezi pentru a o sustine. Teoria corzilor adauga si gravitatia la modelul standard. Deocamdata aceste corzi nu au fost detectate, sunt prea mici pentru a fi observate, iar cu tehnologia actuala nu se pot testa. Teoria corzilor este privita de unii cercetatori mai degraba ca o filozofie decat ca stiinta.

Ciocnind protonii

Principiul de functionare din spatele LHC-ului este destul de simplu. Doua tunuri de particule, unul in sens ceasornic si altul in sens opus. Particulele se accelereaza pana aproape la viteza luminii, iar apoi acestea se indreapta unul catre celalalt ca particulele sa se ciocneasca, urmand a se observa ce se intampla.

Echipamentul necesar pentru a se observa ce se intampla in urma ciocnirii particulelor este extrem de complex. Mai intai, protonii trec printr-o serie de etape. In LHC, viata unui proton este interesanta. Cercetatorii despart electronii din atomii de hidrogen pentru a produce protoni. Protonii intra in LINAC2, o masina care ii “arunca” intr-un accelerator numit “PS Booster”.  Magnetii giganti sunt folositi pentru a produce un camp magnetic necesar pentru a controla protonii pe “calea cea buna”.

Odata ce un fascicul de protoni atinge nivelul de energie potrivit, masina “PS Booster” ii injecteaza intr-un alt accelerator numit “Super Proton Synchotron”. Fasciculul de protoni continua sa prinda viteza. Pana astazi, fasciculele au fost impartite in mai multe “manunchiuri”, 2808 per fascicul. Fiecare continand 1.1 x 1011 protoni. De aici, SPS-ul injecteaza fasciculele in LHC, un fascicul in directia acului de ceasornic, iar un altul invers.

In interiorul LHC-ului, fasciculele continua sa accelereze. Acest lucru dureaza aproximativ 20 de minute. La viteza maxima un fascicul realizeaza 11.245 de tururi complete ale LHC-ului in fiecare secunda. Cele doua fascicule converg intr-unul din cele sase detectoare pozitionate de-a lungul acceleratorului. In acest loc se petrec circa 600 de milioane de coliziuni pe secunda.

Cand doi protoni se ciocnesc, se rup in particule mai mici. Acestea includ particule subatomice numite quarci sau gluoni. Gluonii sunt particule elementare care intermediaza interactiile tari dintre quark-uri. Are masa de repaus nula, spinul 1, si este neutra din punct de vedere electric.

Quarcii sunt foarte instabili si nu au o viata lunga. Detectoarele de la LHC colecteaza informatie urmarind calea acestor particule subatomice. Apoi, urmand ca detectoarele sa trimita datele la numeroasele calculatoare ce vor stoca aceste informatii.

Nu fiecare proton se va ciocni cu alt proton. Chiar si cu o masina atat de avansata precum LHC-ul, este imposibila sincronizarea celor doua fascicule in asa fel incat fiecare particula sa se ciocneasca cu o alta. Protonii care nu se ciocnesc vor continua traseul, pana intr-o sectiune de grafit ce le va absorbi.

LHC-ul are sase detectoare pozitionate de-a lungul circumferintei sale.

Detectorul numit “ATLAS” este cel mai mare dintre ele. Masoara 46 de metri lungime, 25 metri inaltime su 25 metri latime. Acesta detecteaza si analizeaza particulele in timp ce acestea trec prin detector. Poate masura energia particulelor si poate detecta muonii. Muonii sunt particule incarcate negativ, fiind de 200 de ori mai grele decat electronii. Acestia pot “calatori” prin detector fara sa se opreasca – este singura particula care poate face acest lucru.

Un alt detector, este “Compact Muon Solenoid”. Precum detectorul ATLAS, scopul acestuia este de a detecta si masura subparticulele in timpul coliziunilor. Detectorul contine un magnet gigantic ce poate crea un camp magnetic de 100.000 de ori mai puternic decat campul magnetic al Pamantului.

Aici, prin coliziunea ionilor de fier la energii mari, cercetatorii spera sa reproduca conditiile de la inceputul Universului, imediat dupa Big Bang. Spera ca ionii sa se rupa in quarci si mixturi de gluon. O componenta a ALICE (A Large Ion Collider Experiment), este “Time Projection Chamber” (TPC), ce va examina si va reconstrui traiectoria particulelor. Precum ATLAS si CMS, ALICE este dotat si cu un spectrometru muonic.

Urmatorul detector este “Large Hadron Collider beauty” (LHCb). Scopul acestuia este de a gasi dovezi ale existentei antimateriei. Acesta cauta particule numite “beauty quark”. Aceste particule sunt foarte instabile si pot disparea foarte repede.

TOTEM (The TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) este unul din cei doi detectori mai mici din LHC. Masoara marimea protonilor si luminozitatea LHC-ului. In fizica particulelor, luminozitatea se refera la cum un accelerator de particule produce coliziuni.

Ultimul detector, LHCf (Large Hadron Collider forward), simuleaza razele cosmice intr-un mediu controlat.

Fiecare detector are o echipa de ingineri de la cateva zeci pana la sute de persoane. Pentru ei, LHC-ul este o cursa pentru a face urmatoarea descoperire revolutionara in fizica.

Rezultatele experimentelor

In fiecare an se strang aproximativ 15 milioane de gigabiti de date. Chiar si folosirea unui super computer, procesarea acestei cantitati imense de date ar dura mult. Intre timp, LHC-ul continua sa adune date.

Folosind un software special numit midware, reteaua de calculatoare de la CERN poate stoca si analiza datele pentru fiecare experiment desfasurat la LHC.

Va reusi LHC-ul sa desluseasca cateva din cele mai mari mistere ale universului? Datele colectate vor ridica mai multe intrebari decat raspunsuri?