Zoo-ul de particule se extinde

Până la începutul anilor 1940, se părea că fizicienii reușeau să înțeleagă particulele fundamentale și interacțiunile lor. Ei știau despre electroni, protoni și neutroni, precum și despre neutrini și chiar despre pozitroni, „antiparticulele” electronilor pe care Paul Dirac le prezisese în anii 1920. Ei au înțeles că existau forțe dincolo de gravitație și electromagnetism, forțele nucleare puternice și slabe, și lucrau pentru a le înțelege mai bine.

Dar au apărut enigme pe măsură ce au apărut noi particule neașteptate. Fizicienii au descoperit muoni în razele cosmice cu ajutorul unui experiment cu cameră de nor în 1936. (Numele de „cameră de nori” provine de la faptul că particulele încărcate electric care călătoresc prin vapori de apă formează mici dâre de nori în urma lor). Ei au descoperit pioni prin mijloace similare în 1947.

În același an, Butler și Rochester au anunțat că au descoperit particule pe care le-au numit V+ și V0. Dintr-un set de „bifurcații neobișnuite” din datele lor, ei au dedus existența a două particule destul de masive, una încărcată pozitiv și cealaltă neutră, care s-au desprins în alte particule.

Particulele aveau o serie de caracteristici curioase. În primul rând, ele erau grele – de aproximativ cinci ori masa unui muon – ceea ce a dus la o altă enigmă. În mod normal, particulele mai grele au timpi de viață mai scurți, ceea ce înseamnă că rămân mai puțin timp înainte de a se descompune în alte particule mai ușoare. Dar, pe măsură ce experimentele au continuat, cercetătorii au descoperit că, în ciuda greutății lor, particulele aveau durate de viață relativ lungi.

O altă caracteristică ciudată: Particulele erau ușor de fabricat, dar fizicienii nu păreau să fie niciodată capabili să producă doar una la un moment dat. Zdrobiți un pion și un proton împreună, de exemplu, și ați putea crea noile particule, dar numai în perechi. În același timp, ele puteau să se dezintegreze independent una de cealaltă.

O nouă lume ciudată

În anii 1950, Murray Gell-Mann, Kazuo Nishijima, Abraham Pais și alții au conceput o modalitate de a explica unele dintre comportamentele curioase pe care le prezentau kaonii și alte particule nou descoperite. Ideea era că aceste particule aveau o proprietate numită „ciudățenie”. Astăzi, fizicienii înțeleg stranietatea ca fiind un număr cuantic fundamental, asociat unei particule. Unele particule au o stranietate egală cu zero, dar alte particule ar putea avea o stranietate egală cu +1, -1 sau, în principiu, cu orice alt număr întreg.

Important, stranietatea trebuie să rămână constantă atunci când particulele sunt produse prin intermediul forțelor nucleare puternice, dar nu și atunci când se dezintegrează prin intermediul forțelor nucleare slabe.

În exemplul de mai sus, în care un pion și un proton se ciocnesc, ambele particule au stranietatea egală cu 0. Mai mult, acea interacțiune este guvernată de forța puternică, astfel încât stranietatea particulelor rezultate trebuie să însumeze, de asemenea, zero. De exemplu, produsele ar putea include un kaon neutru, care are ciudățenia 1, și o particulă lambda, care are ciudățenia -1, ceea ce anulează ciudățenia kaonului.

Acesta explică de ce particulele ciudate apar întotdeauna în perechi – ciudățenia unei particule trebuie să fie anulată de cea a altei particule. Faptul că sunt construite prin interacțiuni puternice, dar se dezintegrează prin interacțiuni slabe, care tind să dureze mai mult timp, a explicat timpii relativ lungi de dezintegrare.

Aceste observații au dus la câteva înțelegeri mai fundamentale, spune Jonathan Rosner, fizician teoretician la Universitatea din Chicago. Pe măsură ce Gell-Mann și colegii și-au dezvoltat teoria, au văzut că pot organiza grupurile de particule în mănunchiuri legate între ele prin ciudățenie și sarcină electrică, o schemă cunoscută astăzi sub numele de Calea celor opt. Eforturile de a explica această organizare au dus la prezicerea unui set de particule de bază: quarcii.

Cuvintele pe scurt

O altă caracteristică importantă a teoriei stranietății: Când oamenii de știință au descoperit că kaonii stranii se pot dezintegra, de exemplu, în pioni obișnuiți, ei au presupus că interacțiunea nucleară slabă, spre deosebire de interacțiunea nucleară puternică, nu trebuie să mențină constantă stranietatea. Această observație a pus în mișcare o serie de dezvoltări teoretice și experimentale cu care fizicienii încă se mai luptă și astăzi.

Plecând de la teoriile care sugerau că kaonul neutru ar trebui să aibă o antiparticulă cu o stranietate opusă celei a kaonului neutru standard, Gell-Mann și Pais au argumentat că kaonul neutru ar putea, prin procese complexe care implică interacțiuni slabe, să se transforme în propria sa antiparticulă.

Schema are o consecință semnificativă: Ea implică faptul că există două noi particule – de fapt diferite combinații ale kaonului neutru și ale antiparticulei sale – cu durate de viață diferite. K-long, așa cum se numește acum, durează în medie aproximativ 50 de miliardimi de secundă, în timp ce K-short durează puțin sub o zecime de miliardime de secundă înainte de a se destrăma. Predicția acestor particule s-a numărat printre rezultatele preferate ale lui Gell-Mann, spune Rosner, din cauza ușurinței cu care au apărut din fizica cuantică de bază.

O simetrie a naturii, detronată

Unul dintre lucrurile importante despre K-long și K-short, cel puțin în teoria lui Gell-Mann și a lui Pais, a fost faptul că acestea se supuneau la ceva numit simetrie CP. În linii mari, simetria CP spune că, dacă ar fi să schimbăm fiecare particulă cu antiparticula sa și să întoarcem spațiul într-un fel de univers în oglindă, legile fizicii ar rămâne aceleași. Simetria CP este valabilă în toată fizica clasică, iar varianta cuantică a CP a fost cea care i-a motivat pe Gell-Mann și Pais. (Din punct de vedere tehnic, Gell-Mann și Pais au fost inițial motivați doar de simetria C, dar au fost nevoiți să își actualizeze teoria odată ce experimentele au determinat că interacțiunile slabe încălcau atât conjugarea sarcinilor, cât și simetria de paritate – dar în așa fel încât CP însăși părea să rămână o simetrie bună).

În mod ironic, un rezultat motivat de simetria CP a dus la căderea acesteia: În 1964, James Cronin, Val Fitch și colaboratorii care lucrau la Brookhaven National Laboratory au descoperit că K-long ar putea – foarte rar – să se descompună în doi pioni, o reacție care încalcă simetria CP. Dezintegrarea kaonilor încălca până la urmă simetria CP.

.