Sa e fuqishme është ndërveprimi i fortë që na mban të pandarë?

Ndërveprimi i fuqishëm është përgjegjës për stabilitetin e materies. Domethënë, që ne vetë, me gjithçka që na rrethon, të mos shpërbëhemi. Flasim për ndërveprimin më të fuqishëm nga katër ndërveprimet themelore të natyrës. Në distanca shumë të vogla, është rreth 100 herë më i fuqishëm se fuqia elektromagnetike, rreth 10⁶ herë më e fuqishme se fuqia e dobët dhe 10³⁸ herë më e fuqishme se graviteti që na mban të lidhur me Tokën dhe ndërtton universin ashtu siç e njohim.

Ndërveprimi i fuqishëm njihet mjaft mirë, por jo me saktësi absolute. Për ta studiuar atë, fizikanët bërthamorë kanë kryer qindra eksperimente gjatë viteve. Dhe masat e fundit të marra në Kolizionatorin e Madh të Hadronëve (LHC) të CERN-it, kanë kuantifikuar me shumë precizion fuqinë e ndërveprimit të fuqishëm në energji gjithnjë e më të larta. Rreth 7 teraelectronvoltë, dhe po rriten.

Distanța ka rëndësi

Veprimi i saj mbi grimcat elementare që përbëjnë bërthamën atomike, quarkët dhe gluoni, varet shumë nga distanca midis këtyre grimcave: intensiteti i tyre rritet ndërsa ato ndahen në hapësirë dhe zvogëlohet në distanca të shkurtra. Shpjegimi i kësaj prone, e njohur si “liria asintotike”, vlerësoi një Çmim Nobel në vitin 2004.

Ndërveprimi i fuqishëm është aq intensiv sa distancat e nevojshme që ai të ndalojë funksionimin janë me të vërtetë të paarritshme. Nuk arrin kurrë të jetë zero, prej këtu vjen termi “liri asintotike” (një kurbë që afrohet pa fund drejt një drejtë ose një kure tjetër, pa u takuar me të). Dhe pikërisht për shkak se është “asintotike”, edhe sot vazhdon të eksplorohet në distanca gjithnjë e më të shkurtra.

Ana tjetër e së njëjtës monedhë është efekti i “fiksimit”. Kur dy quarkë ndahen aq shumë midis tyre, energjia rritet aq shumë sa të krijojë quarkë të reja që, menjëherë, lidhen me të parat. Kjo do të thotë se këto grimca nuk mund të shihet në mënyrë të pavarur por “të kufizuara” në grupe dy ose më shumë quarkësh të quajtur hadrone.

Si litar i një kitarë

Ashtu si një litar i kitarës më i shkurtër prodhon nota më të larta (frekuenca më të mëdha), eksplorimi i distancave më të vogla midis grimcave kërkon energji më të mëdha, pasi rezolucioni hapësinor në fizikën kuantike është i kufizuar nga parimi i pasigurisë. Prandaj, për të studiuar ndërveprimet në distanca shumë të shkurtra, na duhen kolizionatorë me energji shumë të lartë. Më i fuqishmi që është ndërtuar ndonjëherë, Gran Kolisionuesi i Hadronëve (LHC) në Gjenevë, vazhdon të mbledhë të dhëna gjithnjë e më të sakta mbi sjelljen e ndërveprimeve themelore. Dhe rezulton se, sa herë që krahasohet me teorinë, përshtatet me të me saktësi mbresëlënëse.

Lajmet e hadroneve

Masat eksperimentale të proceseve që ndodhin në LHC përbëhen, shpesh, në përcaktimin e probabilitetit që ato të ndodhin në varësi të disa variablave.

Shembuj të këtyre variablave do të ishin energjia ose momenti i grimcave që mund të vëzhgojmë në eksperimentet tona. Megjithatë, tashmë kemi parë se si quarkët (dhe gluonet) janë të ndikuar nga vetia e “konfinimit”.

Kjo do të thotë se kur një nga këto grimca krijohet pas një përplasjeje në LHC, ajo që vëzhgohet nuk është një grimcë e vetme, por një rrjedhë që tërheq me vete dhjetëra grimca të ndryshme që kanë humbur aftësinë për të ndërvepruar fuqishëm me njëra-tjetrën.

Studimi i vetive të këtyre rrjedhjeve të hadroneve (të quajtura jets në anglisht) ofron një nga mënyrat më të drejtpërdrejta për të studiuar ndërveprimin e fortë.

Parametri më themelor i fizikës së grimcave

Cromodinamika kuantike, QCD, është teoria që përshkruan ndërveprimin e fortë. Përmban një parametër, konstantën e bashkimit αs, e cila matë se sa intensiv është ky ndërveprim. Domethënë, përcakton mundësinë që dy grimca në një distancë të caktuar, të ndërveprojnë fuqishëm duke krijuar të tjera.

Potencat e vazhdueshëm të këtij parametri, ndoshta më i rëndësishmi në fiziken e grimcave, lejojnë përshkrimin matematik të teorisë me shkallë të ndryshme afërsie. Secili prej këtyre shkallëve, të quajtura “renditje perturbative”, ngjitet mbi të mëparshmet si blloqe guri në një katedrale, duke na lejuar të afrojmë gjithnjë e më shumë të vërtetën: shpërndarjet e probabilitetit që mund t’i matim eksperimentalisht.

Dy rezultate kyçe në 20 vjet punë

Duke u bazuar në matjet e këndit midis drejtimeve të prodhimit të shkumave hadronike, bashkëpunimi ose eksperimenti ATLAS të LHC publikoi në vitin 2023 një nga matjet më të sakta deri më tani të konstantës së lidhjes αs. Kjo konstantë u përcaktua në gamën e energjisë prej disa teraelektronvoltësh. Kjo përkon me shkallë të distancës mijëra herë më të vogla se rrezja e një protoni, midis 0,87 dhe 0,88 femtometrash (1 femtometr është 10^-15 m), ndërsa rezultatet e reja e zvogëlojnë atë në 0,84 femtometrash.

Një nga çelësat e saktësisë së jashtëzakonshme të arritur ishte përdorimi i parashikimeve teorike në rend të tretë në krondinamika kuantike. Për që këto zhvillime të materializoheshin, ishin të nevojshme dyzet vjet punë intensive teorike që nga publikimi i mëparshëm i llogaritjes në rend të dytë. Për më tepër, u deshën dhjetëra milionë orë llogaritje paralelë me kompjuter për të arritur parashikimin. Kështu është madhësia e detyrës.

Diçka më së fundmi, në fund të vitit 2024, një grup fizikantësh nga pesë vende ka publikuar studimin e intensitetit të ndërveprimit të fortë me më shumë arritje deri tani. Në këtë studim është përcaktuar konstanta e lidhjes në shkallë energjie më të larta se ato të mëparshmet në bashkëpunimin ATLAS, falë kombinimit të matjeve të ndryshme eksperimentale.

Këto matje, që kombinojnë rezultatet në tre energji të kolizionit proton-proton në dy eksperimente të ndryshme, kuptojnë probabilitetin për të prodhuar dy shuma hadronike në kushte të ndryshme. Krahasimi i këtyre të dhënave me afërsinë më të mirë teorike të disponueshme, në rend të tretë, lejon të përcaktohet intensiteti i forcës së fortë në distanca aq të vogla sa që deri tani nuk ishin të arritshme.

Mësojnë ndërveprimin e fortë për të kërkuar Fizikë të re

Kuptimi i saktë i ndërveprimit të fortë është një nga çelësat e fizikës së grimcave sot dhe çdo herë jemi në gjendje të arrijmë rezultate më të sakta në kushte më ekstreme.

Për momentin, teoria vazhdon të përshtatet me saktësi të madhe me të dhënat eksperimentale, por duke u futur në territore të panjohura mund të ndalojë së qeni kështu. Nëse, në fund, do të gjendeshin devijime të mjaftueshme të mëdha midis teorisë dhe të dhënave, mund të jemi para zbulimit të grimcave të reja të panjohura. Këto grimca të reja hipotezë, domosdoshmërisht shumë të rënda, do të lidhnin me kuarkët dhe gluonet tashmë të njohura përmes ndërveprimit të fortë, duke shkaktuar devijime të tilla.

Vetëm duke kryer eksperimente më të sakta në energji më të larta mund të vazhdojmë të ndriçojmë këto çështje. Deri atëherë, ne nuk do të shkatërrohemi, as ne as universi.