משתמש:Avneref/מדע/פיזיקה/היגס

המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים
בוזונים	פרמיונים
	קווארקים
פוטון	למעלה	קסום	עליון
גלואון	למטה	מוזר	תחתון
	לפטונים
בוזון Z	נייטרינו אלקטרוני	נייטרינו מיואוני	נייטרינו טאואוני
בוזון W	אלקטרון	מיואון	טאו
בוזון היגס

פיטר היגס

החלקיק האלוהי: בוזון היגס והמצוד הגדול ביותר במדע / איאן סמפל שיטת UDC: ספרית עיון סמפל/539.721

• פול סאטר: תורת המיתרים, חלק 1, סרטון באתר יוטיוב

המודל הסטנדרטי מתאר היטב 3 מכוחות היסוד; לפי המודל, כל חלקיק הוא בעצם שדה (פיזיקה), שבמקום מסוים האנרגיה שלו מעוררת משמעותית ואנחנו אומרים ששם "נמצא" החלקיק. אמנם, יש אינסוף אינטראקציות בין כל שני חלקיקים, אבל ריצ'רד פיינמן ואחרים גילו טכניקות "להפחית" אותן למצב שיש רק: מסת האלקטרון... עדיין, המודל הסטנדרטי לא מסביר מדוע מטען האלקטרון הוא מה שהוא - חייבים להציב את הערך שידוע מניסויים; (וכן: מדוע יש מסה מסויימת, ומה מסת הנייטרינו?) (חלק 2) אבל - כשמוסיפים כבידה - הטכניקה לא עובדת, "יש יותר מדי אינסופים". ברוב המקרים (בחיי יומיום, ואפילו באנרגיות של מאיץ חלקיקים) החריגות לא מופיעות, אבל במצבים מסוימים כמו רגע המפץ הגדול, או מרכז חור שחור - שם מופיעה אי-התאמה.

(ח 3) בשנות ה-60 פיתחו את QED, שתיארה היטב את הכוח האלקטרומגנטי, באמצעות הלגראנז'יאן (מאה 18, ללא קשר לקוונטים) - חישובים מסובכים אבל אפשריים. אבל כשהחלו להאיץ חלקיקים כבדים, הופיעו חלקיקים יסודיים יותר כמו פאיון, קאון וכו' שעשויים מקוארקים, והתנהגותם לא תאמה את חישובי QED. התברר שמחזיק אותם הכוח החזק. לכן ניסו טכניקה משנות ה-40, תורת ה-s-matrix בשביל scattering, שפיתח ורנר הייזנברג לפיזיקה קלאסית. בזמנם, המתמטיקה המסובכת הרתיעה, וזה גם לא היה מובן אינטואיטיבית. אבל בשנות ה-60, בייאושם מ-QED להסביר את הכוח החזק, חזרו אליה - ואז מצאו שבתוך הטכניקה מסתתרים מיתרים. (ח 4) וכל כך קטנים שהם חייבים לרטוט (בהתאם לעקרון האי-ודאות, ודאות גבוהה במקום מחייבית אי-ודאות במהירות). הם רוטטים בתדירויות מסוימות, ולכן יש להם אנרגיות מתאימות, ונעים במרחב - נראו כמו חלקיקים. כך החלה תורת המיתרים; אבל המתמטיקה לא תאמה את הניסויים הבאים; וניבאה טאכיוןים, שסותרים את תורת היחסות הפרטית) [1]. מצד שני, פיתחו מודלים עם קוארקים וכו' שתאמו את התוצאות, וכך פיתחו את QCD, ש"עובדת" עד היום בהתאמה עם תצפיות החלקיקים האלה; לכן תורת המיתרים נזנחה. היא הייתה מעניינת, אבל דרשה - תוספת מימדים (בתחילה: 26), אחרת הגודל של המיתרים "לא הספיק". (בהמשך - 11 או 10).

(ח 5) הבסיס לתורת המיתרים (ממדים נוספים) הופיע לראשונה ב-1919, כשתיאודור קלוצה הגיב לתורת היחסות הכללית, ברעיון של מרחב עם יותר מ-4 ממדים - וזה לא סתר את איינשטיין - שבו הממדים הנוספים סגורים על עצמם בלולאות. מהמתמטיקה התברר, שמתוך הממדים הנוספים מופיעות - משוואות מקסוול! אבל בשילוב עם מטען האלקטרון ועוד, המתמטיקה לא הסתדרה. ב-1926 אוסקר קליין החל לשלב עם מכניקת הקוונטים, וגילה פרשנות חדשה, שבה הגודל של הלולאות היה חייב להיות ממש קטן - כ-אורך פלאנק (ולכן הם רוטטים! - מיתרים). וכל דבר שנע במרחב, לא נע באופן חלק ו"ישר" אלא - בלולאות קטנטנות ובלתי נראות לנו, כשהתנועה הכללית היא בכיוון שאנחנו יכולים לראות. זוהי תאוריית קלוצה-קליין.

(ח 6) התברר, שכדי שהמיתרים יוכלו לשאת את הכוחות הידועים, חייבים "לאפשר להם מרחב" - חייבים להיות 26 ממדים במקום 4. יש מספר אפשרויות לכופף יריעה במימד אחד נוסף (4?: גליל, רצועת מוביוס, כעך, בקבוק קליין), ולכן ל-26 ממדים יש המון; אפשר לצמצם כי יש דרישות טופולוגיהות מסויימות - עדיין, יש כ-200^10 אפשרויות ליריעת קאלאבי-יאו כאלה. כנראה רק אחת מתאימה למציאות, אך עדיין לא יודעים איזו (לא כי יש המון, אלא - אין עדיין תאורית מיתרים שלמה, שיכולה להתאים יריעה מסוימת לאופן תנודה מסוים שאולי נצפה בו במציאות).

(ח 7) יש סימטריות בכל מקום; כל סימטריה משמרת (וקשורה לחוק שימור - משפט נתר (פיזיקה)); הסימטריה שמשמרת ספין: סופר-סימטריה (שנות ה-70); אבל אז התברר שסופר-סימטריה קושרת בוזונים גם לפרמיונים, ומסבירה איך כל החלקיקים, כולל פרמיונים, הם בעצם מיתרים.

(ח 8)

• פרמיוןים: ספין חצי; אבני הבניין של החומר.
• בוזוןים: ספין שלם; נושאי כוחות היסוד.

כך, תורת המיתרים החלה רק כנסיון להסביר את הכוח החזק (רק בוזוןים; ו-[פול סאטר]: נכשלה!), אך הפכה (בזכות הסופר-סימטריה) ל"התאוריה של הכול"; כולל הכבידה! שהתגלתה בתוך התאוריה. היא מתארת כל חלקיק כמיתר, וכך קושרת את התנהגות הפרמיונים לזאת של בוזונים: סופר-סימטריה מנבאת שלכל פרמיון יש בוזון עם אותם מאפיינים (מסה, מטען) אבל ספין שונה; ולהיפך. particle - s-particle. למשל: אלקטרון - s-electron. משיקולים מתמטיים, סופר-סימטריה עשויה להסביר את: חולשתה של הכבידה; המסה של בוזון היגס; ואיך כל הכוחות מתאחדים באנרגיות גבוהות. מספר הממדים הנדרש ירד ל-10. (ח 9) גם בצורתה הלא-שלמה של היום, הבנויה מקירובים ומניחושים - תורת המיתרים כוללת הסבר מובנה-בתוכה לכבידה (באמצעות הגרביטון? שלו ספין 2; זה התגלה רק כעשור אחרי שפותחה לראשונה). אבל - בשנות ה-90 התברר שיש 5 גרסות שונות של התאוריה (אחת עם מיתרים פתוחים, אחרת עם סגורים וכו'). (ח 10) ב-1995 אדוארד ויטן הציג בכנס תהיה, אם כל ה-5 בעצם מהוות "מופעים" או מקרים של אותה תאוריה, אותה כינה תורת M (ללא סיבה). המאזינים עבדו על כך, ו"גילו" שאכן יש קשרים מוזרים של דואליות בין כל ה-5. תורת M חוזה מימד נוסף, כלומר יש 11; אבל תפקידו פחות מרכזי, ולכן לא הופיע ב-5; ויש גם D-Branes. אנשים עדיין עובדים רק על אחת מהתאוריות, כי הן מובנות יותר.

(ח 11) למעשה, סופר-סימטריה היא "משפחה" או אוסף של מודלים שונים, כל אחד מספק תאור קצת שונה וניבויים שונים על ה-s-particles. כדי לקבל את הסופר-חלקיק s-particle המקביל לחלקיק particle, לכל פרמיון מוסיפים s בתחילה: s-electron, s-neutrino, s-top quark, s-up quark; ולכך בוזון מוסיפים ino בסוף: photino, glueino, wino boson... אז היום מנסים למצוא חלקיקי "ino" במאיצים. אבל - מבין החלקיקים המתאימים למודלים הפשוטים ביותר, לא מצאו עד היום במאיץ LHC אפילו אחד. זה לא מבחן לנכונות תורת המיתרים, אלא לסופר-סימטריה; אבל תורת המיתרים תלויה בה (אחרת היא לא TOE, אלא "רק" מסבירה את הכוח החזק), וגם אם זה עדיין לא אומר שהסופר-סימטריה מתה, זה מעמיד את התורה במצב לא ממש טוב.

(ח 12) היקומים המרובים, או מודל ה"Landscape" שבו יש יקומים רבים (Multiverse), והעיקרון האנתרופי (ח 13) המציאות כהולוגרמה (Holographic principle) סרטון על לאונרד ססקינד

(ח 14) (AdS/CFT correspondence): שימוש בעיקרון ההולוגרפי, כדי למפות תאורית מיתרים ביקום שהוא אנטי-דה סיטר (= ריק מחומר ומאנרגיה, עם קבוע קוסמולוגי שלילי - כלפי פנים) - אל המעטפת של אותו יקום. משערים (או אולי: התגלה, בהפתעה), שאם אפשר לבנות תאורית מיתרים ביקום AdS, אז ניתן להתאים לה תורת שדה קוונטית קונפורמלית (CFT) על המעטפת (שבה יש אינוררינטיות במובן קונפורמיות, Conformally invariant = של "גדלים", scale). לא מוכח, אבל השערה הגיונית.

• בעיות פעוטות: רוב הבעיות בפיזיקה אינן Conformally Invariant; וגם - היקום שלנו כנראה אינו AdS...
• עדיין, כטכניקה היא די מוצלחת בפתרון מספר בעיות:
  • פלזמה של גלואוןים והכוח החזק
  • פרדוקס המידע חישובים על מידע שנשמר במעטפת של חור שחור ועשוי להשתחזר בקרינת הוקינג
  • חומר דחוס

(ח 15) מאז, 20 שנה שהמיתרים לא התקדמה הרבה; סאטר: רוב התאורטיקנים התייאשו, חא בטוחים שהיא באמת TOE - תאוריה של הכל. במקום, הם מתמקדים בעקרון ההולגרפי הידוע כ-AdS / CFT.

אפילו הטיעון, שאפשר היה תאורטית לבחון את התאוריה אם היה מאיץ חלקיקים חזק מספיק - לא נכון; אי אפשר היה כי אין עדיין תאוריה שיכולה לספק ניבויים מדויקים.

סאטר: הציבור יודע יותר על תורת המיתרים (שלא ממש קיימת), מאשר על תורת השדה הקוונטי - תורה יציבה ומוכחת! אישית - מטריד אותו שאמנם, לכל תאוריה מדעית מותר להתפתח זמן מסויים כתאוריה, כתרגיל מחשבתי ללא הוכחה - אבל כדי להיות מדעית, בסוף היא חייבת להיבדק בניסוי, או להימוג...