Πόσο μεγάλο μπορεί να είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο;

Τα στοιχειώδη σωματίδια είναι υλικά αντικείμενα που δεν διαθέτουν εσωτερική δομή. Ωστόσο, τα λίγα σωματίδια που οι επιστήμονες θεωρούν ως στοιχειώδη εμφανίζονται με διαφορετικά φυσικά μεγέθη.

Για παράδειγμα, η διαφορά των μαζών μεταξύ του ηλεκτρονίου και του κορυφαίου (top) κουάρκ είναι αντίστοιχη με την διαφορά μαζών μεταξύ ενός κουνουπιού και ενός μεγάλου ελέφαντα.

Όμως, όλες αυτές οι μάζες είναι εξαιρετικά μικρές σε σύγκριση με αυτό που επιτρέπει η θεωρητική φυσική. Οι γνωστοί νόμοι της φυσικής επιτρέπουν την ύπαρξη στοιχειωδών σωματιδίων με μάζα που πλησιάζει την «μάζα Planck» : την <<τεράστια>> μάζα των 22 μικρογραμμαρίων. Η μάζα Planck ισούται με τη μάζα του μικρότερου αντικειμένου που μπορούμε να διακρίνουμε με γυμνό οφθαλμό – για παράδειγμα έναν κόκκο σκόνης. Αν το κορυφαίο κουάρκ είχε την μάζα ενός ελέφαντα τότε το θεμελιώδες σωματίδιο με την μάζα Planck θα ζύγιζε όσο η Σελήνη!

Είναι δυνατόν να υπάρχει ένα τέτοιο σωματίδιο; Οι φυσικοί δεν είναι απόλυτα σίγουροι.

Σωματίδια με μάζα μικρότερη από την μάζα Plank μπορεί να είναι στοιχειώδη. Με μάζα μεγαλύτερη από αυτή του Planck μάλλον όχι. Αν στα πειράματά τους οι φυσικοί ανιχνεύσουν ένα θεμελιώδες σωματίδιο με μάζα πάνω από την κλίμακα Planck, τότε θα πρέπει να αναθεωρήσουν τις απόψεις τους για τα μεγέθη των σωματιδίων.

Για το είδος της έρευνας που πραγματοποιείται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) τα θεμελιώδη σωματίδια θεωρούνται ότι έχουν το ίδιο μέγεθος: δεν έχουν κανένα μέγεθος και όλα θεωρούνται σημειακά με την γεωμετρική έννοια.

Όταν σκεφτόμαστε καθαρά μαθηματικά, τα στοιχειώδη σωματίδια είναι εξ ορισμού παρόμοια με τα γεωμετρικά σημεία, δεν έχουν μέγεθος. Όμως, ένα στοιχειώδες σωματίδιο πάνω από την κλίμακα Planck θα βρισκόταν στο όριο μεταξύ των δυο διαφορετικών θεωριών: της κβαντομηχανικής και της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Η κβαντομηχανική περιγράφει αντικείμενα που είναι πολύ μικρά και η γενική θεωρία της σχετικότητας αντικείμενα που έχουν πολύ μεγάλες μάζες.

Για να μελετηθεί ένα σωματίδιο που είναι μικροσκοπικό, αλλά έχει και μεγάλη μάζα χρειάζεται μια νέα θεωρία που ονομάζεται κβαντική βαρύτητα. Μαθηματικά οι φυσικοί δεν μπορούν να θεωρήσουν ένα τόσο τεράστιο σωματίδιο ως σημείο χωρίς όγκο. Πρέπει να θωρήσουν ότι συμπεριφέρεται περισσότερο ως κύμα.

Η έννοια της δυικότητας σωματιδίου-κύματος γεννήθηκε πριν από έναν αιώνα. Το ηλεκτρόνιο όταν ιδωθεί ως σωματίδιο τότε θεωρείται ότι είναι σημειακό – δεν έχει φυσικό όγκο. Αν όμως ιδωθεί ως κύμα τότε εκτείνεται σε όλο τον χώρο που του διατίθεται, όπως η τροχιά γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου. Και οι δυο ερμηνείες είναι σωστές. Ο λόγος της μάζας προς την ακτίνα αυτών των κυμάτων είναι σημαντικός γιατί προσδιορίζει το πως αισθάνονται την επίδραση της βαρύτητας. Ένα υπερμεγέθες σωματίδιο που διαθέτει πολύ μεγάλο χώρο για να «απλωθεί» θα αισθανόταν ελάχιστα την δύναμη της βαρύτητας. Αν το ίδιο το σωματίδιο περιοριζόταν σε πολύ μικρότερο χώρο, τότε θα μπορούσε να καταρρεύσει σε μια μικροσκοπική τρύπα – η οποία θα εξατμιστεί σχεδόν αμέσως.

Η κβαντική βαρύτητα είναι ζόρικη γιατί δεν υπάρχει τρόπος να την τεστάρουμε πειραματικά με την υπάρχουσα τεχνολογία. Θα χρειαζόμασταν έναν επιταχυντή 14 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από τον LHC. Προς το παρόν η θεωρητική μελέτη ενός τέτοιου σωματιδίου βοηθά τους φυσικούς να ωθήσουν τους γνωστούς νόμους της φυσικής στα όριά τους. Το μοντέλο της γνωστής μας σωματιδιακής φυσικής καταρρέει όταν φτάνει στις συγκεκριμένες κλίμακες Planck. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι στο σύμπαν μας δεν υπάρχουν τέτοιες καταστάσεις. Αν θέλουμε να κατανοήσουμε μικροσκοπικά αντικείμενα με μεγάλες μάζες χρειαζόμαστε μια συνεπή θεωρία κβαντικής βαρύτητας.

διαβάστε περισσότερα στο άρθρο της Sarah Charley στο symmetrymagazine.org με τίτλο: How big can a fundamental particle be?