Teoretisk bevis på, at en stærk kraft kan skabe lette subatomære partikler

Brug kun pen og papir, en teoretisk fysiker har bevist en årtier gammel påstand om, at en stærk kraft kaldet Quantum Chromo Dynamics (QCD) fører til lette pioner, rapporterer en ny undersøgelse offentliggjort den 23. juni i Fysisk gennemgangsbreve .

Den stærke kraft er ansvarlig for mange ting i vores univers, fra at få solen til at skinne, at holde kvarker inde i protoner. Dette er vigtigt, fordi det sørger for, at protonerne og neutronerne binder sig til at danne kerner i hvert atom, der eksisterer. Men der er stadig meget mystik omkring den stærke kraft. Einsteins forhold E=mc2 betyder, at en stærk kraft fører til mere energi, og mere energi betyder en tungere masse. Men subatomære partikler kaldet pioner er meget lette. Ellers ville kerner ikke binde, der ville ikke være andre atomer end hydrogen, og vi ville ikke eksistere. Hvorfor?

Da kvarker blev opdaget eksperimentelt ved at slå dem ud af en proton med energiske elektroner, videnskabsmænd kom med "forklaringen", at en egenskab hos den stærke kraft kaldet indespærring var at fængsle kvarker, forhindrer dem i at blive observeret direkte. Imidlertid, mysteriet forblev, at ingen kunne give teoretiske beviser for, at indespærring stammede fra QCD.

Afdøde nobelpristager Yoichiro Nambu foreslog et koncept kaldet "spontan symmetribrud" var ansvarlig for at skabe i det væsentlige masseløse partikler svarende til pioner. Det er derfor, disse pioner er så lette i vægt (i den virkelige verden, lille indre masse af kvarker skaber ikke helt masseløse partikler). Men endnu en gang, ingen kunne påvise, at teorien om den stærke kraft, QCD, realiserer den foreslåede spontane symmetribrud.

Så Kavli Institute for Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) hovedforsker Hitoshi Murayama løste dette problem ved at bruge en version af teorien med en matematisk elegant forbedring kaldet supersymmetri. Alligevel har den virkelige verden ikke supersymmetri. Murayama nærmede sig den virkelige verden ved at bruge en specifik måde at bryde supersymmetri på kaldet anomalimediering, som han foreslog tilbage i 1998.

Derved, Murayama formåede at vise, at QCD faktisk fører til meget lette pioner, noget, der var blevet foreslået af numeriske simuleringer med supercomputere, men teknisk umuligt med masseløse kvarker til endeligt at besvare spørgsmålet.

"Jeg har altid håbet at forstå, hvordan den stærke atomkraft fungerer, så vi kan eksistere. Jeg er meget begejstret for, at det lykkedes mig at bevise Nambus teori fra QCD, der har været så vanskelig i årtier. Dette er en del af min lange søgen, hvorfor vi findes. Fysik er måske ikke for langt væk fra at besvare dette årtusinder lange spørgsmål, " sagde Murayama.

Undersøgelsen kan åbne nye veje til studiedynamikken i ikke-supersymmetriske gauge-teorier.