14 октомври 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Проф. Норберт Пиетрала за суперсиметрията и загубите на симетрия

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 18 юли 2019 в 06:0630490
Снимка: Софийски университет

Наскоро световно известният ядрен физик проф. Норберт Пиетрала посети България, за да му бъде връчено почетното звание „доктор хонорис кауза“ на Софийския университет „Св. Климент Охридски“. 

Журналист на НаукаOFFNews имаше възможноста да зададе няколко въпроса на проф. Пиетрала.

Квантовата механика и теорията на относителността, двата стълба на съвременната физика, не се съгласуват. Имате ли прогноза коя теория има най-голям шанс да ги обедини? Суперсиметрията, квантовата гравитация, някоя модерна струнна теория?

Проблемът с гравитацията е един от най-важните в съвременната физика. Ние имаме Стандартния модел, който е приложим за всички високоенергийни микроскопични наблюдения, когато имаме ядрени реакции в Големия адронен колайдер например, всичко  е описано идеално със Стандартния модел, когато имаме ядрени реакции, атомна физика, лазери, т.е. квантова електродинамика, всичко е много добре описано.

Единственото, което не можем да опишем много, всъщност изобщо не можем, е микроскопичната гравитация, защото нямаме много наблюдения, гравитационната сила е толкова слаба, така че между елементарните частици на практика няма какво да се измери или винаги има други сили, които са толкова по-силни, че смущават всяко измерване на гравитационен ефект.

Така че можем да измерваме гравитацията за макрообекти - планети, звезди, галактики и др. това са макроскопични обекти, при които квантовият свят не е важен.

Всъщност нямаме обекти, които можем да наблюдаваме, за да тестваме каквито и да са предположения за квантовата природа на гравитацията.

Това е проблем.

Можем да спекулираме много и да измислим какъвто и да е математически модел, но това, от което имаме нужда в крайна сметка са наблюдения, а единственият квантов обект, където гравитацията играе роля, е Големия взрив. Но нямаме никакви измервания за Големия взрив, защото не можем да гледаме толкова назад, единствената информация, която имаме, е от времето, когато неутриното се отделя от материята, което е част от космическия микровълнов фон. Но е още много трудно да измерим неутриното от космическия микровълнов фон, електромагнитен космически микровълнов фон с температура приблизително 3 Келвина. Много е важно да измерим отделените неутрино, но нямаме идея как да ги измерим.

Смятам, че първо най-важно е да се сдобием с информация или за гравитационите квантови ефекти, които би било много трудно да измерим, да измерим атомите, да измерим гравитационна сила между атомите или нещо подобно, но нямаме в момента необходимата технология. Без експеримент можем да създадем много теории, но не знаем наистина как да ги тестваме. 

Суперсиметрията не е ли всъщност теорията, която работи особено добре в атомното ядро. 

Само че от суперсиметрията в ядрения спектър не научаваме нищо за суперсиметрията на частиците, само  установяваме, че струтура, която е суперсиметрична съществува в природата.

Но все още имам чувството, че както суперсиметрията е дефинирана по един и същи начин от гледна точка на математиката, тогава трябва да има нещо, което да ги свързва, защото елементарните частици са фермиони и бозони.

Имаше надежда, че суперсиметрични частички ще бъдат открити в Големия адронен колайдер при високоенергийчни експерименти, но засега няма следи. Разбира се ГАК е ограничен в енергията си до 13 TeV (13·1012 електронволта). Така че ако има суперсиметрични частички с маса например 50 тераелектронволта няма как да ги получим, но щеше да има квантови корелации, щяха да са оставили някакви следи и някаква концепция, така че щяхме да сме наблюдавали някакви отклонения от Стандартния модел, които могат да бъдат обяснени само с допълнителни частици и по-висока енергия.

Но засега в измерванията със сигурност всичко може да бъде количествено описано със Стандартния модел, няма следи от суперсиметрични частици. ("Как доказването на Суперсиметрията може да промени разбирането ни за Вселената")

Илюстрация: Частиците в стандартния модел съставят вътрешния кръг. Техните суперсиметрични партньори съставят външния пръстен.

Изоспиновата симетрия свързва нуклоните в ядрото. Симетрията от всякакъв вид властва във физиката. Мислили ли сте, коя загуба на симетрия, е най-важната за съществуването на Вселената и живота, такива, каквито ги познаваме?

Аз мисля, че когато зададем големия въпрос за живота, веднага мислим за едната молекула, произвела живота и това е ДНК. А ДНК е симетрична молекула, двойна спирала и е дясновъртяща. Така че, имайки предвид, че ДНК е толкова важна за живота на земята, но няма особена причина дясната посока да е станала основна. Тази молекула е намерила начин да се реплицира, използвайки молекули от средата и това е раждането на живота. Но няма причина, дължаща се на фундаментални сили, за това да бъде дясно. Така че ако мислим в тази посока, смятам, че това е най-съществената загуба на симетрия за живота на земята.

Когато говорим за приложения, технология, винаги говорим за макроскопични обекти. За тях тези симетрии вече нямат значение, защото можем да създадем обекти с различно пространствено разпределение на атомите. Така че може да създадем асиметрични обекти, така че концепцията за симетрия не е толкова важна за приложенията, няма това фундаментално значение, както в субатомната физика. Когато говорим за фундаментални сили, концепцията за симетрия е много мощна. Много загуби на симетрия са важни за технологията. Не бих могъл да избера само едно, което да има толкова фундаментално значение в субатомната или квантовата физика. 

Но когато говорим за ядрената физика има положения, които са базирани на принципите на симетрията, фазовите преходи също са важни.

На своята лекция във ФзФ говорих за деформираното ядро, така че там се нарушава сферичната симетрия, изведнъж ядрото спонтанно се деформира и както обясних това може да стане дори в единично ядро, както е случаят с цирконий 96, който аз изучавам, има основно състояние, в което е сферичен и след това при възбудено състояние може би се деформира, въпреки че аз все още не го вярвам, но дори да се вложи енергия в ядрото, то може да промени формата си и спонтанно да стане деформирано, така че се нарушава сферична симетрия, все още ще има аксиална симетрия, но една симетрия е нарушена.

Нарушаването на симетрията се случва в много ядра, изотопи и отговаря за наблюдения като за алфа лъчението, например уранът, изпускащ алфа лъчение, трансуран, плутоний 244, алфа разпадът се случва благодарение на квантови процеси и това е първото наблюдение на ефектът на вплитане в квантовата механика. (Алфа частицата преживява тунелен преход през  бариерата на потенциала, обусловена от ядрените сили, затова алфа-разпадът е по същество квантов процес, бел.ред., вж "Как се преминава през стени в квантовия свят")

Времето или периодът на разпад зависи много от височината на бариерата, така че веднъж, когато алфа частицата е в ядрото, печели енергия, благодарение на ядрената сила. Но като напусне материята на ядрото, тя не е обвързана от ядрената сила вече, но се намира в регион на висок потенциал със съответните електромагнитни взаимодействия, защото е положително заредена и отблъсквана от положително зареденото ядро което остава зад нея. Така че е по-добре за алфа частиците да излязат навън на голямо разстояние от другите положително заредени протони и това значи, че от деформираните уранови ядра например алфа частици излизат повече от върха на деформираната структура, отколкото от екватора и това е измерване, което е доказателство за нарушаване на симетрията, което има ефект върху динамиката на системите.

Друга фундаментална загуба на симетрия е разликата в масите на протона и неутрона, неутронът може да се разпада, няма неутронна материя на земята поне, не говорим за неутронните звезди, там е различно, защото те са свързани с гравитация. Но неутроните са малко по-тежки от протоните и се разпадат до протони, а протоните са стабилни, ако не беше така смятам, че щеше да има огромно значение върху начина, по който света и материята биха изглеждали. Представяте ли си да няма водород, а само неутрони, ако няма електрони, не се формират молекули, щеше да е съвсем различен свят, ако протоните бяха малко по-тежки от неутроните, вместо обратното. Така че, слава богу, че неутроните са по-тежки от протоните, това е спонтанна загуба на симетрия. 

А за нарушаването на изоспиновата симетрия?

Има нарушение на изоспиновата симетрия. Ако протоните и неутроните имаха една и съща маса, съвсем една и съща, пак щеше да има леко нарушение на изоспиновата симетрия в по-тежките ядра, заради силите на Кулон. Кулоновите сили действат само между протоните, но не и между неутроните и това леко променя потенциала им, когато се наруши изоспиновата симетрия, но за по-тежките ядра. И смятам, че кулоновите сили нарушават повече изоспиновата симетрия, отколкото разликата в масите на протона и неутрона, но и тя влияе.

Има и това протон-неутронно спрягане (сдвояване), за което се говори напоследък и е важно за проблема, който съществува в самата структура на протоните и неутроните в ядрото и структурата на кварките. 

Да, има схематично представяне, което беше много известно преди 30-40 години, че има сдвояване плюс квадропул. Така че частта със сдвояването е отговорна за поддържането на ядрото в сферична форма. И има дупка между основното и възбуденото състояние. А квадропулните взаимодействия (между квадропул и квадропул) са точно обратното, те карат ядрото да се деформира и конкуренцията между тях е това, което управлява начина, по който еволюира формата.

Квадрупол, Контур на еквипотенциалните повърхности на електрическо квадруполно поле (вдясно). Илюстрация Wikimedia Commons

Докато спрягането на протоните е пропорционално на броя протонни двойки и неутронното спрягане е пропорционално на броя на неутронните двойки, така че целия оператор на спрягане е пропорционален на броя протонни двойки плюс броя неутронни двойки. Така че отношението между взаимодействието между кв/кв, което е деформацията и взаимодействието на спрягане, което е задържащо сферичността, е просто този п фактор.

Така че ако той достигне стойност 5, ако е повече от 5, ядрото е деформирано, ако е по-малко от 5, значи ядрото е сферично.

Защо е 5? Защото това е дълбок термин, описващ силата на квадропул-квадропулните взаимодействия в средно (статистическото)/стандартното ядро, срещу силата на спрягането, което е около 200kv, което прави този фактор 5.(вж "Спин и изоспин. Спинът като степен на свобода")


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.