nu știi ce lucruri este, tu care-l țineți în mâinile tale. Atomi? Da, lucrurile sunt făcute din atomi. Și fiecare atom este un nucleu orbitat de electroni. Fiecare nucleu este construit din protoni. Fiecare proton este – dar acolo ajungeți la capătul liniei. În interiorul protonului se află adevărul profund, neliniștitor: lucrurile sunt făcute din nimic, sau aproape nimic, ținute împreună de lipici, mult lipici. Fizicienii au început să suspecteze acest lucru în 1973. În ultimul timp a fost dovedit prin experiment.

CERN Photo

Frank Wilczek a fost un student absolvent de 21 de ani la Universitatea Princeton când a ajutat la dezvoltarea acestei teorii a protonului în 1973. El nu a înțeles cu adevărat el însuși la început; el a fost doar în urma în cazul în care matematica l-au condus. „Am făcut calculele, dar nu am avut o înțelegere intuitivă simplă”, spune Wilczek. „Imaginea fizică a venit mai târziu.”Această imagine a durat ceva timp chiar și pentru ca fizicienii să o absoarbă, pentru că într-adevăr nu este simplă. Chiar și astăzi, dacă cereți unui fizician să descrie un proton, veți obține mai întâi o versiune de desene animate—cea care spune că un proton este făcut pur și simplu din trei particule mai mici numite quarci. Această descriere nu este tocmai falsă—este doar o rezoluție scăzută. Este adevărat modul în care o imagine de Times Square de la 30.000 de metri distanță este adevărat. Realitatea de aproape, cea pe care Wilczek și colegii săi au văzut-o cu mult timp în urmă, este mult mai ciudată și mai ciudată.

un proton este format din trei quarci, Da, dar quarcii sunt infinitezimali—doar 2% din masa totală a protonului. Se învârt în jurul valorii de aproape viteza luminii în interiorul protonului, dar sunt închiși în nori pâlpâitoare de alte particule—alte quarcuri, care se materializează pentru scurt timp și apoi dispar și, mai presus de toate, gluoni, care transmit forța care leagă quarcii împreună. Gluonii sunt fără masă și evanescenți, dar poartă cea mai mare parte a energiei protonului. De aceea, este mai corect să spunem că protonii sunt făcuți mai degrabă din gluoni decât din quarci. Protonii sunt mici pete de lipici – dar chiar și acea imagine transmite ceva prea static și substanțial. Totul este flux și trosnituri de energie în interiorul unui proton; este ca o furtună fără sfârșit fulger într-o sticlă, o sticlă mai puțin .1 trilionime de inch în diametru. „Este o structură foarte bogată, dinamică”, spune Wilczek. „Și este foarte plăcut că avem o teorie care o poate reproduce.”

Mai ales dacă se întâmplă să fii unul dintre tipii care au inventat teoria și dacă, mai mult de două decenii mai târziu, acea teorie este de fapt verificată prin experiment. La un accelerator de particule numit HERA din Hamburg, Germania, fizicienii au tras electroni în protoni în ultimii opt ani, arătând cât de insubstanțiali sunt quarcii în interior. Între timp, alte experimente de accelerare ar putea dezvălui în curând modul în care universul și-a adunat toți protonii în primul rând. În februarie, fizicienii de la CERN, Laboratorul European pentru Fizica particulelor din afara Geneva, au anunțat „dovezi convingătoare” că au reușit să topească un număr mare de protoni, creând pentru o clipă tipul de plasmă quark-gluon care a existat ultima dată la o microsecundă după Big Bang. Toți protonii din jur s-au congelat din acea supă. La Laboratorul Național Brookhaven din Long Island din New York, un accelerator nou și mai puternic se pregătește să gătească supa quark-gluon zilnic în această vară. Până anul viitor, fizicienii ar putea avea o idee mult mai bună despre cum era universul când era de un miliard de ori mai fierbinte decât suprafața Soarelui, iar quarcii și gluonii—care nu erau încă prinși în interiorul protonilor, în interiorul nucleelor, în interiorul atomilor, în interiorul nostru—ar putea juca liber în câmpurile cuantice.

cromodinamica cuantică, sau QCD, teoria pe care Wilczek și colegii săi au inventat-o, este un tip de teorie a câmpului cuantic, iar teoria câmpului cuantic pentru începători merge cam așa. În primul rând, E = mc2, așa cum a descoperit Einstein. Adică, energia poate fi transformată în masă și invers. În al doilea rând, spațiul gol nu este gol: ceea ce numim vid este de fapt clocotind cu tot felul de câmpuri de energie, iar energia se manifestă constant ca particule „virtuale” care apar în existență și apoi dispar din nou în ceva mai puțin de o miliardime de nanosecundă. „Nu ar fi foarte util pentru noi să vedem această structură a vidului”, spune Wilczek, care este acum profesor la Institutul pentru Studii Avansate de la Princeton, unde locuiește în vechea casă a lui Einstein. „Nu ne-ar ajuta să evităm tigrii cu dinți de sabie sau să ne creștem copiii, așa că evoluția ne-a învățat să o ignorăm. Dar e acolo.”

În al treilea rând (și ultimul în primerul nostru de teorie a câmpului), atunci când două particule subatomice exercită o forță una asupra celeilalte, ele interacționează printr-unul dintre acele câmpuri de energie, pe care ei înșiși le ajută să le creeze. Mai exact, ei schimbă una dintre acele particule virtuale—cuantul câmpului cuantic. Un electron, de exemplu, are o sarcină electrică de -1 și această sarcină generează un câmp electric. Dacă electronul se mișcă, așa cum este întotdeauna—se rotește pe axa sa și orbitează nucleul atomic—generează și un câmp magnetic; toate câmpurile magnetice sunt create în cele din urmă prin mișcarea sarcinilor electrice. Când două particule încărcate interacționează—când, să zicem, un electron este împrăștiat de pe un proton în HERA—schimbă un foton virtual, cuantul câmpului electromagnetic. Teoria care descrie astfel de interacțiuni, inventată de Richard Feynman, printre altele, se numește electrodinamică cuantică sau QED.

în QED fiecare electron individual este înconjurat de un nor de particule virtuale de scurtă durată-fotoni, dar și alți electroni împerecheați cu pozitroni, gemenii lor de antimaterie încărcați pozitiv. Acele perechi de particule care roiesc formează un ecran care anulează parțial câmpul de electroni—cel puțin așa cum se vede din afara ecranului. Din interiorul ecranului, pe de altă parte, câmpul pare mai puternic decât v-ați putea aștepta, ca un bec gol odată ce o umbră a lămpii a fost îndepărtată. „OK, deci asta este screening-ul și este destul de ușor de înțeles”, spune Wilczek. „Ceea ce se întâmplă în QCD, în interiorul protonului, este exact opusul: este antiscreening. A fost o surpriză chiar și pentru noi, așa că nu poate fi prea simplu. Dar am ajuns să o înțelegem în termeni mai elementari de-a lungul anilor.”

începutul anilor 1970, când Wilczek și-a făcut munca de pionierat, a fost o perioadă amețitoare pentru fizicienii particulelor. Aerul lor este oarecum diferit de ceea ce respirăm restul, iar QCD era în el. Cu câțiva ani mai devreme, cercetătorii de la Stanford Linear Accelerator Center au accelerat pentru prima dată electronii la energii suficient de mari pentru a pătrunde în protoni. Electronii nu păreau să se cufunde în ciuperci; păreau să sară de pe pepite asemănătoare punctelor din protoni. Quark – urile, care au fost postulate în 1964 ca entități pur matematice, au început să pară ca și cum ar putea exista cu adevărat în interiorul protonilor—și întrebarea despre modul în care totul a fost ținut împreună a devenit urgentă și interesantă. În timp ce Wilczek și consilierul său, David Gross, descopereau răspunsul la Princeton, un alt student absolvent pe nume David Politzer îl descoperea independent la Harvard. Gross era bătrânul trio-ului la 31 de ani. „Am avut norocul să fim tineri atunci”, a scris el mai târziu, ” când am putut să ne plimbăm de-a lungul plajelor nou deschise și să ridicăm numeroasele cochilii frumoase pe care experimentul le dezvăluise.”

o coajă era mai ciudată decât restul. Experimentele de la Stanford păreau să arate că forța dintre quarci—cunoscută sub numele de forța puternică—a devenit de fapt mai slabă pe măsură ce quarcii s-au apropiat. A fost foarte ciudat. Forțele pe care le întâlnim zilnic, electromagnetismul și gravitația, acționează exact invers: sunt mai puternice la distanțe scurte de la sursă și mai slabe la cele lungi. Acesta este modul intuitiv; așa ar trebui să fie lucrurile. Altfel, de exemplu, magneții ar zbura de pe frigider pentru a se agăța de aragazul atrăgător îndepărtat—cu excepția faptului că de la distanță frigiderul ar începe să le arate din nou bine. Și totuși, pe măsură ce forța puternică se afla la distanțe foarte scurte, a fost suficient de puternică la cele mai lungi pentru a-i frustra pe fizicienii care au încercat din greu și nu au reușit să scoată un quark dintr-un proton. Nimeni nu a reușit să observe unul izolat.Wilczek și Gross au căutat o teorie a câmpului cuantic care ar putea explica o astfel de forță. De fapt, Gross se aștepta să eșueze; voia să demonstreze că teoria câmpului era o fundătură. Dar un fel de formalism matematic, numit teoria gabaritului non-Abelian, nu fusese încă încercat. Wilczek a petrecut o jumătate de an umplând un caiet cu calcule despre modul în care particulele ar interacționa printr-un câmp cuantic non-Abelian. La final, el a avut o forță care a devenit mai puternică la sferturi apropiate, așa cum ar trebui să fie o forță bună, așa cum se aștepta Gross—dar spre deosebire de ceea ce fusese măsurat la Stanford. Wilczek a verificat calculele lungi din nou și din nou. Apoi Gross a văzut un singur semn plus în ecuația câmpului care ar fi trebuit să fie un minus. Schimbarea semnului a schimbat totul: QCD s-a născut.

în interiorul unui proton, conform QCD, quarcii sunt „liberi asimptotic”, așa cum sugerează rezultatele Stanford, ceea ce înseamnă că se mișcă aproape ca și cum nu ar exista deloc forță între ei. Dar libertatea este o iluzie: un quark nu poate scăpa niciodată de partenerii săi. Pe măsură ce distanța dintre ele crește, la fel și forța, și astfel un quark capricios este inevitabil înăbușit, ca un jumper bungee. De aceea nimeni nu a văzut sau nu va vedea vreodată un quark singuratic, care, dacă te gândești la asta, este profund ciudat. „Protonul are părți, dar nu poate fi demontat”, spune Alvaro de R inkt Jula, fizician teoretic la CERN. „Poți ține un electron în mână. Nu poți ține un quark sau un gluon în mână.”

ciudățenia vine de la gluoni. Cromodinamica cuantică, forța care ține protonii împreună, este modelată îndeaproape pe electrodinamica cuantică, forța care ține atomii împreună—dar gluonii schimbă screeningul în antiscreening, intuitiv în bizar. În cromodinamica cuantică, cuarcii poartă un nou tip de sarcină, numită culoare—care nu are nimic de—a face cu culoarea obișnuită-și aceste sarcini generează un câmp de culoare (de unde și numele Cromodinamică). Cuantul câmpului și transmițătorul forței puternice este gluonul. La fel ca fotonul care transmite forța electromagnetică, un gluon este fără masă. Dar, spre deosebire de foton, un gluon este încărcat. Își generează propriul câmp de culoare, își exercită propria forță puternică și ineractează cu alți gluoni. Duce o viață bogată.

câmpul de culoare, ca și cel electromagnetic, poate fi considerat ca având două componente—le numim culoare electrică și culoare magnetică. O încărcare de culoare în mișcare rapidă-gluonii se mișcă la viteza luminii-generează un câmp magnetic puternic de culoare. Gluonii sunt astfel ca niște magneți dipoli mici. Gluonii care înconjoară un quark se aliniază paralel cu câmpul său de culoare, așa cum ar face magneții, și astfel, în loc să-l slăbească, așa cum particulele virtuale fac câmpul unui electron, îl întăresc. Ei antiscrizează quark-ul, amplificându-i câmpul. Aici analogia lămpii nu mai funcționează—quarkul este un bec slab care devine cumva mai luminos în afara umbrei.

asta ține un proton împreună, și asta îi dă o structură internă bizară. Dacă un quark reușește să intre în norul gluon al altuia, se simte doar o atracție slabă. Dar cu cât se îndepărtează mai mult, cu atât simte mai mult atracția adăugată a gluonilor—gluonii emiși de cuarci, gluonii emiși de alți gluoni, gluonii care se materializează în perechi virtuale quark-antiquark, care schimbă mai mulți gluoni. „Quarcii declanșează totul, dar odată ce începe, este un proces foarte puternic, deoarece gluonii interacționează”, spune Wilczek. „Este un fel de proces fugar.”

în 1974, de R inkt Jula, Politzer, Wilczek și alți câțiva fizicieni au propus această gluonizare a protonului și au sugerat cum ar putea fi măsurată într-o zi. Două decenii mai târziu, oamenii de știință de la HERA au început să facă exact asta. HERA este un accelerator în formă de inel, la aproape patru mile în jur, în care electronii care fac 47.000 de ture pe secundă sunt zdrobiți în protoni care merg invers. Cu cât energia coliziunii este mai mare, cu atât un electron poate pătrunde mai adânc într-un proton înainte de a fi deviat. Prin măsurarea modului în care electronul este deviat în milioane de coliziuni, fizicienii pot colecta informații despre componentele interne care fac devierea. Este ca și cum ai face o fotografie a interiorului unui proton, spune Wilczek, pixel cu pixel—iar rezultatele se potrivesc propunerii pe care el și colegii săi au făcut-o cu zeci de ani în urmă.”doar la cel mai crud nivel un proton este format din trei quarci”, spune Wilczek. „Când te uiți de aproape și intri în acești nori și începi să vezi structura de bază, vezi că este în mare parte lipici.”ceea ce face cu atât mai interesantă întrebarea cum a reușit universul să proiecteze așa ceva.

a vizita un laborator de fizică a particulelor înseamnă a fi lovit de un contrast la scară-între micimea obiectelor studiate și imensitatea resurselor—oameni, mașini, putere de calcul, energie electrică, spațiu, bani—care îi sunt dedicate. (Dacă această infrastructură pare un preț ridicat de plătit pentru informații despre originea universului, considerați că Web-ul-conceput pentru a ajuta oamenii de știință să comunice fișiere de date enorme—este un creier CERN.) CERN consumă aproape la fel de multă energie electrică ca orașul Geneva, vecinul său. Cel mai mare accelerator al CERN, marele accelerator Electron-pozitron, ocupă un tunel circular de 17 mile în jur. În următorii ani va fi demontat și înlocuit cu un accelerator și mai puternic, Large Hadron Collider, care va re-crea energia care a existat la o miliardime de secundă după Big Bang. (Hadronii sunt particule nucleare, cum ar fi protonii, care sunt făcuți din quarci și gluoni.) Pentru a face o plasmă quark-gluon, nu trebuie să mergeți atât de departe în timp—prima microsecundă va face—deci aveți nevoie de un accelerator mai puțin puternic.

totuși, Sincrotronul Super Proton de la CERN este mai mult de patru mile în jur. Este găzduit într-un tunel care se află la 300 de metri sub pământ, iar în acel tunel, în interiorul unui tub de aluminiu la doar câțiva centimetri lățime, nucleele de plumb sunt accelerate de magneți la 99,9% din viteza luminii. Ele sunt apoi ghidate până la suprafață și într-o sală imensă, asemănătoare fabricii, lungă de 300 de metri. Tubul de aluminiu se furcă în detectoare diferite, unde nucleele de plumb—fiecare format din 208 protoni și neutroni, gemenii neutri din punct de vedere electric ai protonilor—se sparg într-o bucată de folie de plumb care are doar câteva sute de micrometri grosime.

ce se întâmplă în continuare, în teorie, este simplu: Coliziunea creează o minge de foc suficient de intensă pentru a topi protonii și neutronii. Quarcii și gluonii circulă liber, așa cum se întâmplă adânc în interiorul unui proton, dar acum peste o regiune care este largă de mulți protoni, formând o plasmă quark-gluon. „Dacă rulați filmul Big Bang înapoi, acesta devine din ce în ce mai dens, din ce în ce mai fierbinte”, spune Reinhard Stock de la Universitatea din Frankfurt, care a ajutat la proiectarea unuia dintre detectoarele CERN, „și știm că toate structurile legate se descompun atunci când densitatea lor energetică depășește energia lor de legare.”Cromodinamica cuantică cere ca o plasmă quark-gluon să existe la o anumită densitate de energie, „dar trebuie să dovediți că există”, spune Stock. „De aceea suntem aici în ultimii 15 ani.”

problema este că mingea de foc de laborator se extinde rapid și se răcește rapid, la fel cum trebuie să fi făcut-o cea primordială. Plasma supraviețuiește doar 10-22 de secunde înainte ca quarcii și gluonii să se condenseze din nou în protoni și alți hadroni. Ceea ce fizicienii detectează de fapt este un spray de mii de astfel de particule care ies din spatele foliei de plumb. În detectorul Stock, particulele zboară apoi printr-o cutie de gaz de argon de dimensiunea camerei, eliminând electronii de pe atomii de argon. Contoarele înregistrează electronii, iar computerele reconstruiesc urmele particulelor, care le dezvăluie identitatea. Odată ce fizicienii au analizat potopul de date—fiecare coliziune produce 10 megaocteți de date, iar Stock și colegii săi au înregistrat milioane de coliziuni—ar putea afla ceva despre mingea de foc producătoare de plasmă.

în ultimii ani, detectoarele Stock și altele de la CERN au confirmat că bilele de foc sunt suficient de fierbinți și suficient de dense pentru a produce plasmă de quark-gluon. Ei au descoperit un exces de particule care conțin quarcuri „ciudate” și o lipsă de particule care conțin „farmec”—ambele fiind efecte secundare prezise de cromodinamica cuantică. (Quarcurile ciudate și quarcurile de farmec sunt tipuri exotice care nu se găsesc în particulele obișnuite.) Totul se ridică la un caz puternic că CERN a creat plasma quark-gluon—dar nu se ridică la dovadă. „Problema este că nu au putut să o observe direct”, spune Tom Ludlam, fizician la Laboratorul Național Brookhaven. acceleratorul relativist de ioni grei al lui Brookhaven, care este programat să înceapă să facă fizică în această vară, va ciocni nucleele de aur la 10 ori energia posibilă la CERN și astfel va atinge temperaturi care vor permite plasmei quark-gluon să supraviețuiască un moment mai mic. Pe măsură ce quarcii se răcesc de la un trilion de grade, ar trebui să emită radiații de căldură, sub formă de fotoni cu raze gamma. Acesta este cel mai direct semnal posibil din plasma quark-gluon, iar acceleratorul lui Brookhaven ar trebui să-l poată detecta. Vă puteți gândi la ea ca la fulgerul de lumină emis de univers când s-au născut toți protonii săi.

chiar și oamenii de știință de la Brookhaven nu vor putea răspunde în cele din urmă la întrebarea de unde provin protonii. Un mister central va rămâne. În interiorul unui proton, pe măsură ce gluonii vin și pleacă, pe măsură ce quarcii și antiquarcii vin și pleacă în nenumăratele lor roiuri, un număr rămâne constant: există întotdeauna încă trei cuarci decât există antiquarci. Aceștia sunt quarcii care, „la cel mai crud nivel”, așa cum spune Wilczek, alcătuiesc protonul. De ce sunt ele materie și nu antimaterie? De ce universul este format din materie și nu din antimaterie? Răspunsul depășește cromodinamica cuantică. Un ușor dezechilibru între quarci și antiquarci, dacă Wilczek și alți teoreticieni au dreptate, a fost deja prezent în plasma primordială quark-gluon. Înțelegerea originii sale va necesita acceleratoare care ajung la energii și mai mari, cum ar fi acceleratorul mare de Hadroni al CERN. Va fi nevoie de noi tipuri de teorii—dintre care unele, din păcate, ar putea cere să începem să ne gândim la particule ca niște mici bucle de coarde și universul ca având mult mai multe dimensiuni decât cele patru pe care le cunoaștem și le iubim. pe măsură ce fizica evoluează, imaginea protonului pe care cromodinamica cuantică ne—a dat-o poate părea liniștitor de concretă și solidă-deși solidul este exact ceea ce un proton nu este. Zborul într—unul—dacă vă puteți imagina făcând asta, călărind forța puternică într-un fel de planor subnuclear-ar fi ca și cum ai cădea prin atmosfera Pământului. Atmosfera superioară a protonului este o cirrus subțire de perechi virtuale quark-antiquark; ele formează un scut pentru ceea ce se află mai jos. Pe măsură ce treceți de ele, atmosfera devine din ce în ce mai densă, norii din ce în ce mai groși. Avionul dvs. este lovit cu frecvență și forță crescândă de fulgere de culoare-gluonii. Și apoi, poate patru cincimi din drum prin coborârea ta, ieși din acoperirea cu nori. Călătoria este mai calmă acum. Fulgerele nu au dispărut; s-au contopit într-o foaie continuă și, cumva, te simți imediat ușoară și imună de toate forțele. Sunteți aproape de centrul protonului acum, complet prinși în capcană în timp ce cădeți spre asimptota libertății totale și găsiți . . . nu prea mult.

„cu cât te uiți mai aproape, cu atât găsești că protonul se dizolvă în multe particule, fiecare dintre ele transportând foarte, foarte puțină energie”, spune Wilczek. „Și elementele realității care au declanșat totul, quarcii, sunt aceste lucruri mici în mijlocul norului. De fapt, dacă urmăriți evoluția la distanțe infinit de scurte, sarcina declanșatoare merge la zero. Dacă studiați cu adevărat ecuațiile, devine aproape mistic.”