Svet od koga smo napravljeni

Kao što to obično i biva, čovek prvo primeti stvari koje može da opazi, i zato su počeci svake nauke, pa i fizike bili na makroskopskom nivou. Od Njutna (Isaac Newton), koji je pričao o gravitaciji, preko eksperimenata iz optike i elektriciteta, gde je spisak uspešnih naučnika poveći, uspevali smo da odlično opišemo način na koji se stvari ponašaju. I time smo bili zadovoljni. Retko bi se pokrenulo pitanje, koje se postavljalo još u staroj Grčkoj, o deljivosti materije. Podsetimo da je grčki filozof Demokrit skovao naziv atom (ἄτομος ili átomos, „nedeljivo“). Iako se to može smatrati nekakvim začetkom teorije elementarnih čestica, mi ćemo se ipak držati savremenih eksperimenata, i teorije kakvu danas poznajemo.

Tokom dvadesetog veka je pitanje deljivosti materije smatrano vrlo značajnim, toliko da su dodeljene brojne Nobelove nagrade, kako za teorijska predviđanja postojanja novih čestica, tako i za njihovo eksperimentalno otkrivanje. Velikom fizičaru Openhajmeru (Robert Opennheimer), koji je možda najpoznatiji kao naučni direktor projekta „Menhetn“, pripisuje se izjava da postoji toliko mnogo elementarnih čestica da bi jedne godine Nobelovu nagradu mogao da dobije neko ko ne otkrije nijednu.

Otkriće čestica

Prva od mnogih za zasluge u teoriji elementarnih čestica, Nobelova nagrada za fiziku 1906. godine je pripala Džozefu Tomsonu (Joseph John Thomson), koji je otkrio elektron, prvu elementarnu česticu, 1897. godine. Otkriće elektrona je uzburkalo naučnu javnost jer se za naelektrisanje tela znalo već dugo vreme, ali se nije znalo za neki osnovni deo materije koji sadrži naelektrisanje. Tomson je takođe usavršio katodnu cev, koja je danas sastavni deo mnogih televizora (opasnih po prirodu), a uspešno je odredio i odnos mase i naelektrisanja elektrona, što je uz Milikenov eksperiment (Robert Andrews Millikan, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 1923. godine) dalo vrednost naelektrisanja.

Do sada je otkriveno više od 200 čestica, ne računajući njihove parove suprotnih naelektrisanja, antičestice. Skup svih otkrivenih čestica, „nabacanih“ na gomilu se činio nalik džungli u tolikoj meri, da je poznati italijanski fizičar, Enriko Fermi, jednom izjavio „Mladiću, da znam imena svih čestica, bio bih botaničar“. I dalje ne možemo predvideti tačan broj elementarnih čestica, kao ni vreme njihovog života i masu. Nova otkrića otežavaju sistematizaciju elementarnih čestica, te se stoga klasifikacija ograničava na relativno stabilnije čestice. Postoji više načina na koji se nove čestice otkrivaju, a trenutno najrasprostranjeniji je njihovim ubrzavanjem u različitim akceleratorima, pri čemu je svako u septembru prošle godine čuo za jedan koji bi tek trebalo da proradi – Veliki hadronski sudarač (Large Hadron Collider - LHC).

Po jednoj od podela, elementarne čestice se mogu svrstati u grupe leptona, hadrona i prenosioca interakcija. Hadroni se mogu dalje deliti na nove grupe, barione i mezone. Doduše, i barioni i mezoni se sastoje od još manjih čestica, koje se zovu kvarkovi. Takođe, sve čestice možemo podeliti i na fermione i bozone, u zavisnosti od toga da li imaju polucelobrojnu (1/2, 3/2, i, uopšteno, neparan broj polovina) ili celobrojnu vrednost spina, koji je jedan od brojeva koji opisuju svaku česticu, kao što to rade i masa i naelektrisanje. Iz ovoga se vidi kolika zbrka može vladati klasifikacijom elementarnih čestica, ali je tu Standardni model (Slika 1), koji uvodi red i o kome će biti reči kasnije.

Standardni model elementarnih èestica

Leptoni ne učestvuju u jakim nuklearnim interakcijama i imaju spin ½, što ih čini fermionima. Do sada je otkriveno šest leptona. Poznata su tri naelektrisana leptona, koji učestvuju u elektromagnetnim i slabim interakcijama: elektron, mion i tau čestica. Svakom od njih odgovara neutralna čestica: elektronski neutrino, mionski neutrino i taonski neutrino. O otkriću elektrona je već bilo reči. Čuveni Pol Dirak je teorijski predvideo postojanje njegove antičestice, pozitrona, koji je otkriven od strane američkog fizičara, Karla Andersena, koji je za ovo otkriće dobio i Nobelovu nagradu. Isti fizičar je zaslužan i za otkriće miona, 1936. godine.

Hadroni su elementarne čestice čiji nastanak karakteriše jaka nuklearna interakcija. Takođe, svi hadroni su podložni i drugim vidovima interakcije. To je najmnogobrojnija familija čestica, kojih ima više od 300, računajući i antičestice. Hadroni, za razliku od leptona, mogu da se nazovu elementarnim česticama uz krajnje rezerve. Naime, svaki hadron se može nazvati elementarnim zato što se on u bilo kojoj interakciji ne može razbiti na kvarkove, čestice koje sačinjavaju hadrone. Trenutno nije poznato da li se i kvarkovi grade od nekih još manjih čestica. Zato se leptoni i kvarkovi, da bi se istakla njihova elementarnost, često nazivaju i fundamentalnim česticama.

Bitno je obratiti pažnju na pojam antičestice. Kada dođe do sudara čestice i antičestice, dolazi do anihilacije, tj. do uništenja obe čestice i nastanka par fotona, zbog čega koegzistencija čestica i antičestica nije moguća. Ali u udaljenim krajevima svemira bi mogli da postoje antisvetovi, sastavljeni od antiatoma. U principu bi mogli da postoje i „antiživot“ i „antiljudi“. Međutim, mnogi fizičari skeptički se odnose prema mogućnosti postojanja antisvetova. Jedno od velikih, neodgovorenih pitanja iz fizike je neravnopravno postojanje materije i antimaterije u poznatom delu svemira.

Godine 1962, Lion Lederman (Leon Lederman), Melvin Švarc (Melvin Shwartz) i Džek Štajnberger (Jack Steinberger) su pokazali da postoji više od jedne vrste neutrina. Oni su prvi detektovali mionski neutrino, i za to svoje otkriće dobili Nobelovu nagradu 1988. godine. Kada je treći lepton, tau, otkriven 1975. godine (Martin Perl, skorašnji gost Rektorske konferencije u Beogradu, dobio je polovinu Nobelove nagrade 1995. godine za to otkriće), očekivalo se da i on ima svog para među neutrinima. Tau neutrino je prvi put opažen 2000. godine, što ga čini trenutno poslednjom otkrivenom česticom iz Standardnog modela, teorije koja trenutno najbolje opisuje fizičke pojave. Jedan od nerešenih problema fizike se vezuje za neutrine i pitanje da li oni imaju ili nemaju masu.

Hipoteza o postojanju kvarkova je postavljena 1964. godine. Po toj hipotezi mnoge čestice su određene kombinacije kvarkova. Kvarkovi su fundamentalne čestice koje ne mogu postojati u slobodnom stanju, već se nalaze u sastavu drugih čestica, hadrona. Reč kvark je originalno smislio američki fizičar Marej Gel-Man (Murray Gell-Mann). I sama imena pojedinačnih kvarkova su prilično neobična, ali su smišljena s namerom da se lakše pamte: gore, dole, čudni, šarm, dno i vrh. Postojanje gore kvarka je teorijski predviđeno 1964. godine kada su Gel-Man i Džordž Cvajg (George Zweig) razvili početni model kvarkova. Prvi dokaz njegovog postojanja je pronađen 1967. godine pomoću akceleratora Univerziteta Stenford (Stanford Linear Accelerator Center- SLAC).

Pomoć CERNa

Po Standardnom modelu postoje sledeći osnovni bozoni (čestica sa celobrojnim spinom) koji su prenosioci interakcije: već pominjani foton, W i Z bozoni i gluoni. Svaka vrsta odgovara jednoj od tri interakcije koje Standardni model opisuje: elektromagnetnoj, slaboj nuklearnoj i jakoj nuklearnoj. W i Z bozoni su otkriveni 1983. godine u CERN-u. Karlo Rubija (Carlo Rubbia) i Sajmon van der Mer (Simon van der Meer) su zaslužni za to otkriće, za šta su dobili Nobelovu nagradu 1984. godine. W bozon je dobio ime po slaboj (weak) nuklearnoj sili, a za Z bozon se govori da je dobio to ime zato što se verovalo da je to poslednja čestica koja će biti otkrivena.

Godine 1968. Šeldon Glešou (Sheldon Glashow), Stiven Vajnberg (Steven Weinberg) i Abdus Salam (Abdus Salam) su objavili unifikovanu teoriju elektromagnetizma i slabe interakcije. Ta teorija je predviđala postojanje ovih bozona. Njih trojica su i podelila Nobelovu nagradu 1979. godine za to svoje otkriće.

Gluoni su neposredno odgovorni za izgradnju protona i neutrona. Oni su prenosioci jake interakcije, koja drži kvarkove na okupu. Gluoni su prvi put eksperimentalno opaženi 1979. godine

Standardni model predviđa postojanje Higsovog bozona, koji se poslednjih godina obično spominje vezano za nastupajuće eksperimente u CERN-u, gde bi trebalo da se potvrdi ili opovrgne njegovo postojanje. To je jedina čestica Standardnog modela koja još uvek nije detektovana. Piter Higs (Peter Higgs) je, zajedno sa Fransoa Englertom (Francois Englert) i Robertom Brautom (Robert Brout), razvio tzv. Higsov mehanizam, koji, uprošćeno rečeno, objašnjava odakle česticama masa. Stiven Vajnberg i Abdus Salam su bili prvi koji su primenili Higsov mehanizam na slabe interakcije, i time odmah popravili svoj Standardni model i dali mu formu u kojoj danas postoji. Nažalost, Standardni model ne predviđa masu Higsovog bozona, pa samim tim ni kolike su mase drugih čestica, te se stoga sa nestrpljenjem očekuje pokretanje eksperimenata u CERN-u, koji bi pokazali da li Higsov bozon postoji, i, ukoliko postoji, kolika mu je masa.

Još je veliki put do konačne Teorije svega. Ono što je bitno, jeste da se fizika za sada oslanja na dobar Standardni model, koji bi trebalo da dobije potvrdu (ili naslednika) puštanjem u rad LHC-a u CERN-u. Ukoliko otkrijemo Higsov bozon, moći ćemo, pored mnogih drugih stvari, da odgovorimo na zanimljivo pitanje otkud svemu masa, a ako ne otkrijemo, znaćemo da je našim teorijama potrebna prepravka. U svakom slučaju, Standardni model će biti upamćen, a LHC će isplatiti svoja ulaganja. A možda, pored svega, otkrijemo da postoji još elementarnih čestica, i naše „bavljenje botanikom“ nastavi da se razvija.

[1] D. Griffits. Introduction to elementary particles. 1987.

[2] http://www.todayinsci.com/QuotationsCategories/P_Cat/Particle-Quotations.htm