Oinarrizko zatikiak: materiaren muina
Joan den hamarkadaren hasieran gai honi buruz hamaikatxo albiste eta artikulu argitaratu zen. 1979-1985 bitartean nekez aurki zitekeen naturaren oinarrizko zatikiak nola edo hala jorratzen ez zituen zientzi aldizkaririk. Horren arrazoia orduan burutu ziren esperimentuak garatutako teoriekin bat etortzea zen. Baina orduko tresneriaz esperimentatzeko ahalmena nolabait ahitu egin zenez gero, azken urteotan guzti honi buruzko albisteak ere urritu egin dira.
Esperimentu berriek, behaketa zehatzagoek, makineria indartsuagoek eta kosmologiaren hurrengo aurkikuntzek, gaur egungo teoriak baieztatzea ala aldatzea eragingo dute. Horregatik geldialdi honek dirauen artean, gaur egungo egoera zein den labur ematea guztiz egokia da.
Has gaitezen, ordea, histori apur batez:
Historian zehar zerbait txikiagoren bila
Kristo aurreko V. mendean Leuzipo eta Demokrito-k, jaiotzea osagaien batuketa eta heriotza osagaien barreiaketa zirela aldarrikatu zuten. Infinitu osagai haiek ikustezinak, aldaezinak, ezabatezinak, sortezinak eta zatiezinak ziren, eta grekoz atomo hitzak zatiezina esan nahi duenez gero, atomo izendatu zituzten. Demokritok, hain zuzen, honela idatzi zuen: Ustea hotza, ustea beroa; egia atomoak eta hutsa.
Eta egia honen bila gero eta sakonago sartu da gizakia materia barruan. Joan den mendeko kimikariek, 36 elementu kimiko bakarrik ezagutzen zituzten (gaur egun 100 baino gehiago dira). Beren ustez atomoak materia-zatirik txikiena ziren eta esfera itxura zeukaten. Mende honen hasieran (1911.ean) Rutherford-ek atomoak biraka ari diren elektroizko hodeiaz inguratutako nukleo txiki batez osatuta daudela jakin erazi zuen.
Geroago, nukleoa bera bi zatikimotek (protoiek eta neutroiek) osatzen dutela Briden zuten. 1930. urtean beraz, materian (eta, are gehiago, unibertso osoan) oinarrizko lau zatiki desberdin zeudela onartzen zen, hots, elektroia, protoia, neutroia eta argiaren zatiki zen fotoia. Baina ikuspegi eroso honek ez zuen luzaro iraun, laster oinarrizko zatiki berriak plazaratu zirelako. Adibidez, K, , , eta abar. Gainera antizatikiak ere agertu ziren, hots, zatikien masa berdina baina karga eta beste ezaugarriak kontrakoak dituzten zatikiak.
Hainbeste hazi zen zatiki kopurua, ezen 60.eko hamarkadaren hasieran Mendeleieven elementu-taula periodikoaren antzera zatikiak ere taula batean taiutu bait zituzten (ikus 1. irudia). Alaben banaketa berriak periodikotasun batzu agerian utzi zituen. Zatikiak taldeka bana zitezkeela ikusi zen eta gexu batean haietako ustezko hainbat eta hainbat zatiki erabat oinarrizkoak ez zirela iradoki zen.
Izan ere talde hauek zatiki batzuen barneko egitura txikiagoaren adierazle ziren. Benetako oinarrizko ziren zatiki berriak quark izenaz bataiatu zituzten. Izena James Joyee-ren Finnergans Wake elaberritiren honako esalditik atera zen: Three quark for Musten Mark! (hiru quark Musten Mark-entzat!). Quark hitzak ez du ezer esan nahi. Are gehiago, elaberri ospetsu horretan hainbeste dira hitz-jokoak, ezen zeharo ulergaitza suertatzen den (ez euskarara eta ez gaztelaniara edo frantsesera ere ez dira oraingoz itzultzera ausartu). Baina elaberrian quarkak Mr. Marken semeak dira eta protoia eta neutroia osatzen zituzten zatikiak hiru zirenez, quark izendatu zituzten (ikus 2. irudia).
Gaur egun ezagutzen den materia-zatirik txikienaraino heldu gara, baina bere portaerari buruz ez dugu ezer aipatu oraindik; aurretik ikuspegi orokor eta osatuagoa adierazi gura bait nuke, bilakaera historikoa alde batera utziz.
Eredu estandarra
Izen honen bitartez munduan dauden gauza eta gertakizun guztien funtzionamendua azaltzen duen teoriarik hedatuena izendatzen da. Teoria honen arabera elementu bi bereiz ditzakegu gure mundu honetan: materia eta elkarrekintzak edo indarrak, alegia.
Materia izenpean gorputz edo objektutzat jotzen dugun guztia sartzen da. Elkarrekintzek edo indarrek materiaren portaera eta aldaketak adierazten dituzte, hala nola planeten higidurak, erreakzio kimikoak, elektrizitatea edota bizitza bera, besteak beste. Indarrak lau mota desberdinetakoak izan daitezke.
Horietako mota bat indar grabitatorioa da; nahikoa ezaguna eta planeten, izarren edo galaxien arteko higidura eta Lurrak erakar gaitzan erantzule delarik. Bigarren indar-mota elektromagnetikoa dugu. Honek imanen portaera, elektrizitatearena eta atomo barruan elektroiak nukleoaren inguruan biraka ibiltzea azaltzen ditu, besteak beste.
Beste indarmota bat, indar nuklear bortitza alegia, atomoko nukleoan protoi eta neutroien arteko elkarrekintzen erantzule da. Halaber, quarkak elkar daitezen ere eragiten du. Laugarren indarra, azkenik, indar nuklear ahula dugu, zeinaren betebeharra aurrerago zehaztuko dugun.
Edonon eta edozertarako zatikiak
Hala materia, nola indarrak, oinarrizko zatikien ondoriotzat jotzen ditu eredu estandarrak.
Beraz gorputz bat (ez du zurruna zertan izan behar, gorputza esaten dugunean solidoa zein likidoa edo gasa ere adierazi gura dugu, airea ere gorputza delarik) gero eta zati txikiagotan bananduz gero, molekuletara helduko ginateke. Hauek atomoz osatuta daude. Atomoak Mendeleieven taulan agertzen direnak dira (isotopoak alde batera lagata), eta elektroizko hodeiaz inguratutako nukleo txiki batez osatuta daude. Nukleo horretan badago zatiki txikiagorik ere ( protoiak eta neutroiak) eta berauek ere, azkenekoz, hiru zatikiz osaturik daude; hiru quarkez hain zuzen.
Indarrei dagokienez, Erlatibitate-Teoriak indarren eragin eta efektuak bapatean ezin transmiti daitezkeela jakin erazten digu. Beraz, bitartekariren bat behar dugu. Bestalde Mekanika Kuantikoak energiak balio diskretuak hartu behar dituela diosku. Horiek horrela, zatiki biren arteko indarra indar hau abiadura finituz garraiatzen duen zatiki bitartekari baten trukaketaren ondorio da: zatikiren batek bitartekaria igorri egiten du eta besteak xurgatu egiten du (ikus 3. irudia).
Ondorioz mundu osoa zatiki batzutara laburbildu ahal dugu; materiaren osagai eta indarren bitartekarietara.
Zatikien ezaugarriak
Zatikien ezaugarriei zenbaki kuantiko deritze, balio diskretu batzuk bakarrik har ditzaketelako. Horietako bat karga elektrikoa da, eta protoi edo elektroiarena unitatetzat jotzen da. Beste zenbaki (ezaugarri) garrantzitsu bat spin momentu angeluarra da. Honek zatikiaren biraketa-egoera adierazten du eta n.h/2 balio du, non n zenbaki osoa eta h = 6,6.10 -27 erg/s diren.
Badago kolore izeneko beste zenbaki kuantiko bat. Hemen koloreak ez du ohizko esanahiarekin, ikusmenarekin alegia, zerikusirik. Dena dela, aurrerago aztertuko dugu zenbaki hau zer den. Zenbaki gehiago egon arren (barionikoa, muonikoa, etab.), ez ditugu ikuspegi orokor honetan aipatuko. Oraingoz esan dezagun elkarrekintzetako hasierako eta azkeneko zenbakien balioak berdin-berdin iraun behar dutela, hau da, kontserbatu behar dutela (9. eta 12. irudietan agertzen diren elkarrekintzetan azken esaldi hau egiazta daiteke).
Leptoiak eta hadroiak
Leptoiak (e - da ezagunena) indar bortitza pairatzen ez duten zatikiak dira eta oinarrizko zatikitzat jotzen dira. Hadroiak (protoiak eta adibidez) ostera, indar bortitzarekiko sentikor dira. Gainera ez dira zeharo oinarrizkoak; quarkez osatutakoak baizik. Bestetik, hadroiak bi motakoak izan daitezke: barioiak (astunenak) eta mesoiak (arinagoak).
Materiaren fermioiak eta indarren bosoiak
Spin erdiosoa duten zatikiak fermioiak dira eta spin osoa dutenak, aldiz, bosoiak. Materia, edozein motatako materia, fermioiz osatuta dago beti. Beraz, elektroiak, protoiak eta neutroiak fermioiak dira noski. Baina dagoeneko azken biak quarkak osatzen dituztela badakigu. Ez da harritzekoa, beraz, quarkak ere fermioiak direla jakitea.
Materiaren osagarriak fermioiak badira ere, indarren bitartekari guztiak bosoiak dira. Indar grabitatorioaren zatiki bitartekaria grabitoia da, eta indar elektromagnetikoarena, fotoia. Indar ahulak hiru bitartekari behar ditu: W + , W - eta Z°, alegia. Indar bortitza, azkenik, gluoiek eta mesoiek garraiatzen dute. Laburpen gisa, ikus 4. eta 5. irudiak.
Materiaren familiak
Orain arte erizpide ezberdinen arabera zenbait sailkapen aztertu dugu. Ikus dezagun orain funtsez koena. Materia osatzen duten oinarrizko zatiki bakarrak leptoi eta quarkak dira. Orain arte 6 leptoi eta 5 quark aurkitu dira, baina erabateko simetria bete dadin seigarren quarka ere badagoela onartzen da. Leptoiak elektroia (e - ), neutrino elektronikoa (v e ), muoia ( - ), neutrino muonikoa (v u ), tau (t - ) eta neutrino tuonikoa (v t ) dira.
Quarkek sei zapore ezberdin dituztela esaten da, alegia, u (up, gora), d (down, behera), s (strange, arraroa), c (charm, xarma), t (top, gailurra) eta b (botton, hondoa). Ikus 6. irudia.
Leptoiak isolatzeko eta isolatuta aztertzeko inolako zailtasunik ez dago. Quarkak, ostera, ez dira inoiz aske ikusi, eta isolatzeko egin diren ahalegin guztiak alferrikakoak izan dira. Beti ere hadroien barruan diraute. Bi aukera besterik ez daude: hiru quarkek barioia osatzea ala quark batek eta antiquark batek mesoia osatzea (gogoratu zatiki baten antizatikiak haren ezaugarri guztiak masa izan ezik aurkakoak dituela) (ikus 7. irudia).
Hemen oztopo txiki bat dager. Pauliren esklusio-printzipioak atomo batean zenbaki kuantiko berdinak dituzten fermioi bi ezin egon daitezkeela esaten du. Batek + i /2 spina eta besteak -1 /2 spina eduki behar dute. Baina zapore berdineko 3 quarkez osatutako hadroietan (S2- adibidez hiru s quarkek osatzen dute) bi quarkek, gutxienez, spin berbera eduki behar dute. Oztopo hau gainditzeko beste zenbaki kuantiko bat sartu zen (kolorea alegia), quarkek kolore desberdinak izan zitzaten eta horrela Pauliren printzipioa bete zedin.
Hiru kolore desberdin har ditzakete quarkek: gorria, berdea eta morea. Honela, hadroiak hiru kolore desberdineko hiru quarkez osaturik daude, batuketaren emaitza kolorgea delarik. Mesoien quarkek, aldiz, edozein kolore eta beren antikoloreetakoak dira, azken emaitza ere kolorgea delarik, noski.
Logikoa denez kolorearen arazoak quark-kopurua biderkatu egiten du. Ikus dezagun: 6 quark bider hiru kolore 18 quark, gehi 6 leptoi, 24 zatiki, gehi 24 antizatiki, 48 oinarrizko zatiki osotara, bosoiak oraindik kontutan hartu barik.
8. irudian ikus daitekeenez, materiaren oinarrizko zatiki hauek hiru belaunaldi edo familiatan banatzen dira.
Lau indarrak
Jadanik aipatu ditugu naturaren lau indarrak eta beren bosoi bitartekariak. Azter ditzagun orain sakonkiago.
Indar grabitatorioak zatiki guztiei eragiten die. Grabitazioa garraiatzen duen zatikia grabitoia da. Oraingoz ez da grabitoi bat bera ere detektatu, guztiz iheskorrak dira eta. Izan ere indar baten irispidea trukatutako bitartekariaren masaren araberakoa da. Zehatz esanda, bosoia zenbat eta astunagoa izan, hainbat eta laburragoa da indarraren eragina. Indar grabitatorioaren irispidea infinitu dela onartzen denez gero, grabitoiaren masa zero izango da.
Indar elektrikoaren irispidea ere infinitu da eta karga elektrikoa duten zatiki guztietan du eragina. Bitartekariak, fotoiak, ez du ez masarik eta ez kargarik ere.
Askoz irispide laburragokoa da indar ahula (10 -16 cm baino gutxiago hain zuzen). Horregatik bitartekariek 81 eta 93 GeV-eko masa dute. Indar honek leptoi bat beste leptoi bat bihur dadin ahalbideratzen du. Era berean, quark batek zaporea alda dezan eragiten du. Hauetako elkarrekintza askotan karga garraiatu behar duenez gero, hiru bitartekari ezberdin ditu, hots, karga positiboa garraiatzen duen W + , karga negatiboa garraiatzen duen W - eta neutroa den Z°.
Protoiak eta neutroiak atomoaren nukleo barruan mantentzea, indar bortitzaren lana da. Horretarako mesoiak darabilzki bitartekari. Baina dagoeneko badakigu hadroiak zein mesoiak barne-egitura daukatela. Beraz, alegiazko indar bortitz hau ez da benetakoa; zatiki haien barruan gertatzen diren elkarrekintzen ondorioa baizik. Benetako indar bortitza quarken artean dagoena da eta beronen bereiztasunak azaltzen dituen teoria Kromodinamika Kuantikoa (QCD) hitzez izendatzen da.
Kromodinakima kuantikoa. QCD
Indar ahula bai leptoiek eta bai quarkek ere pairatzen dutela azaldu berri dugu. Indar bortitza, ordea, quarkek soilik jasaten dute. Are gehiago, indar ahulak quarken zaporeak aldarazi bazituen ere, indar bortitzak, bere aldetik, koloreak aldarazten dizkie. Horretarako koloreak garraiatzeko gai izan behar dute. Hiru koloreen arteko konbinazioak ahalbideratzeko zortzi bosoi bitartekari izan behar dira. Gluoi deritze eta ez daukate ez masarik eta ez kargarik. Aldiz, badute kolorea edo, hobeto esan, kolore eta antikolore bat. Gluoiak ere, quarkak bezalaxe, ez dira egundo ere isolaturik ikusi
Lehenago azaldu dugun arrazonamenduaren arabera, gluoiek masarik ez daukatenez gero, indar bor titzaren irispideak infinitu izan beharko luke. Errealitatea ordea, bestelakoa da; oso irispide motza bait du (10 -13 cm-koa hain zuzen). Horiek horrela, berez etxe infinitua eduki behar luketen gluoiek espetxe txiki batekin konformatu behar dute. Eta berdin-berdin gertatzen zaie beren lankide quarkei. Zergatik indar bortitzaren morroiek (quarkek eta gluoiek hain zuzen), espetxeraturik egon behar dute beti?
Quarken baztertzea
Ezer baino lehen esan dezagun hutsa ez dela erabateko hutsa. Izan ere hutsean zatiki/antizatiki-bikoteak etengabe sortzen dira, horretarako baldintza bakarra gexu batean elkar ezabatzea delarik. Zatiki hauek oso bizitza laburra daukatenez gero, zatiki birtual deitzen zaie.
Demagun elektroi isolatu bat hutsean dugula. Karga negatiboa daukanez gero, bere inguruan karga positiboko antielektroi birtualak hurbilago kokatuko zaizkio. Antielektroi birtualezko hesi honen eragina elektroien karga leuntzea da. Hesiaren kanpoan elektroiaren karga gutxiago somatzen den bitartean, hesi barruan izugarria litzateke elektroi bilutsiaren karga.
Har dezagun orain quark bat. Berriz ere quark/antiquark birtualen bikoteek inguratuko dute, ikusitako kolore-kargaren ahultze-efektua sorteraziz. Baina kasu honetan berezitasun bat dago. Fotoiek ez dute kargarik eta ez dute elektroiaren karga ukitzen, baina gluoiek badaukate kolore-karga. Beraz, quarkaren inguruan gluoi birtualak ere kokatuko dira, eta karga leundu beharrean gogortu egingo dute. Ondorioz quarkak zenbat eta urrunago jarri, hainbat eta gluoi gehiago, lokarri handiago eta indar gogorrakoak izango ditugu.
Are gehiago, gluoien loturak apurtzeko eta quarkak aldenerazteko behar den energia, hutseko quark/antiquark-bikote birtuala erreal bihur dadin behar den energia da. Horregatik hadroietik quark bat erauzten dugunean beste quark eta antiquark bat ere sortzen ditugu, elkarrekin birkonbinatu egiten direlarik. Horrela, quark askea eduki beharrean mesoi bat agertzen zaigu
Hainbeste oinarrizko zatiki?
Esana dugunez 48 dira fermioiak. Hauei grabitoia, fotoia, W + , W - , Zº eta zortzi gluoiak gehitu behar dizkiegu; 61 zatiki orotara. Ez al dira zatiki gehiegi, denak oinarrizkoak izan daitezen? Izan ere gizakiaren ametsa errealitate osoa zatiki bakar batera eta indar bakar batera laburbiltzea da. Baina hain bakuntasun handi eta dotoretik urruti gaude oraindik. Esanak esan, badaude zatiki guzti horiek harremanetan jartzen dituzten teoria batzuk.
Batze handiko teoriak. BHT
Teoria hauen arabera, hainbeste zatiki eta indar desberdin egotearen arrazoia Unibertsoaren tenperatura hotza da. 10 15 GeV-eko energia lortuko bagenu, leptoi- eta quark-belaunaldi bakar bat ukanen genuke, zatiki-mota biak elkartrukagarriak lirateke eta indar bakarrak (grabitazioaz gain) eragingo luke.
Pentsa dezagun ur, alkohol eta merkurioz betetako ontzi bat dugula. Hiru likidoak berdintsu ihardungo dute giro-tenperaturan. Baina tenperatura jaitsi ahala, ura so lidifikatu egingo da iharduera ezberdina agerian utziz. Gero merkurioa ere solidifikatu egingo da, bere portaera ezberdina erakutsiz. Azkenean hirurak solidifikatuz gero, guztiz desbedin ihardungo dute eta inork ez du hasieran berdintsu zirela antzemango.
Antzekoa da indarrekin gertatutakoa ere. Oso tenperatura altuan indar bakarraren bitartekariek ez daukate masarik, baina izozten direnean masa hartzen dute, elkar rekintza batzuk galerazten dituzte eta indarrak zein zatikiak bereiztu egiten dira. Eta, esan dugun legez, gure Unibertsoa hotzegia da.
Orain arte azaldu ditugun zatikien elkarrekintzak eta bitartekariak 11. irudian erakusten den eran batu ahal dira. Hor ikusten denez, erabateko batasuna lortzeko quarkak leptoi, eta alderantziz, bihurtuko lituzkeen 12 bosoi berri beharko genituzke. Baina zatiki horiek sorterazteko 10 15 GeV-eko energia beharrezkoa da eta egun lor daitekeen energiarik handiena 10 4 GeV-ekoa baino txikiagoa da. Zelan egiaztatu, beraz, proposatutakoa?
Teoria honen arabera quarkak leptoi bihurtu ahal izango balira, protoiak ezin izango luke bizitza i nfinitua eduki. Leptoia emanez deuseztatu egin beharko luke (ikus 12. irudia). Protoi baten heriotzaren lekuko bagina, teoria zuzena dela ondorioztatuko genuke, bestelakoan idei bernak bilatu beharko lirateke.
Oraingoz, egia esan, egin diren esperimentu guztietan ez da horrelakorik ikusi. Beraz, protoiaren bi zitzak 10 40 urtekoa baino luzeagoa dela dirudi.
Ebazteke dirauten arazoak
Ez dira gutxi erantzun egokiaren zain dauden arazoak. Oraintxe bertan protoiaren deuzestapena inondik inora ez dela ikusi esan dugu.
Grabitoiak ere iheskor dirau eta makina bat dira grabitazioa beste indarrekin batzeko zailtasunak. Seguru asko Einsteinen Erlatibitate Orokorrari buruzko teoria zertxobait aldatu egin behar da gertakariak oso distantzia laburretan agitzen direnean. Azken hau proposatzen duten teoriek, fermioiak bosoi bihurtzeko zatiki berriak eskatzen dituzte. Horrela superzatiki bakarraren eta indar bakarra edukiko genduke. Baina oraingoz ezin ditugu egiaztatu.
Ba ote dago ezagutzen diren hiru belaunaldiak baino gehiago? Azken emaitzen arabera, hiru bakarrik egoteak segurua dirudi. Hala ere mundu osoa eraikitzeko lehen fermioi belaunaldia nahikoa bada, zergatik daude beste bi? Zertarako gura ditugu?
Bestetik, orain arte aipatu ez badugu ere masaren iturburuak argitzeke dirau. Askotan oinarrizko zatiki guztien masak beste zatiki batek, Higgs bosoiak hain zuzen, sortzen dituela onartzen da. Eta jakina, Higgs bosoi hau ere ez da inon ere aurkitu. Bosoi hau bostgarren indarraren bitartekaria litzateke, eta Higgs indar honek, gainera, nahikoa portaera berezia luke.
Azkenik, zalantzak areagotzeko, Higgs bosoiaz gain badago zatikien masa azal lezakeen beste erabidea: beste egitura-maila bat jaistea. Ba ote dira, beraz, erabat oinarrizko diren leptoi eta quarkak, ala hauek ere zatiki txikiagoz osaturik daude?
Hala ere teoria sendoa
Artikuluan zehar eraiki dugun eredua azken zalantza eta oztopo hauekin suntsitu egin dugula pentsa liteke. Ez da horrela ordea. Einsteinen grabitazioak ez zuen Newtonena ezeztatu; murriztu baizik. Era berean, ugari dira eredu estandarrak arrakastaz gainditu dituen frogak. Horregatik, ezpairik gabe aldaketak behar izango baditu ere, oro har bide zuzenetik dabilela dirudi. Eta gainera, aipatutako zalantza oro argituko bagenu, inoiz izango ote da ezer galdetzekorik ez dagoen garaia? Antza denez dudamudatan bizitzera kondenaturik gaudela etsipenez onartu egin beharko dugu.
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
