QUARTA LLIÇÓ

Partícules

Dins de l’univers descrit a la lliçó anterior, es mouen la llum i els cossos. La llum és constituïda per fotons, les partícules de llum que va intuir Einstein. Les coses que veiem estan fetes d’àtoms. Cada àtom és un nucli amb electrons al voltant. Cada nucli és constituït per protons i neutrons, ben atapeïts. Tant els protons com els neutrons estan fets de partícules encara més petites, que el físic nord-americà Murray Gell-Mann va batejar amb el nom de «quarks», inspirant-se en una paraula sense sentit d’una frase sense sentit: «Three quarks for Muster Mark!», que apareix a Finnegans Wake, de James Joyce. Tot el que toquem està fet, doncs, d’electrons i d’aquests quarks.

La força que manté enganxats els quarks a l’interior dels protons i dels neutrons és generada per partícules que els físics, amb poc sentit del ridícul, anomenen «gluons», de l’anglès glue, cola. En italià es traduiria com a «colloni»,^[001] però afortunadament tothom fa servir el nom anglès.

Electrons, quarks, fotons i gluons són els components de tot allò que es mou per l’espai al voltant nostre. Són les «partícules elementals» que estudia la física de partícules. A aquestes partícules se n’hi afegeixen algunes més, per exemple els «neutrins», que proliferen per l’univers però tenen poques interaccions amb nosaltres, i el «bosó de Higgs», detectat no fa gaire a Ginebra, a la gran màquina del CERN, però en total no n’hi ha gaires, de partícules. Menys d’una desena de tipus. Un grapat d’ingredients elementals que es comporten com les peces d’un Lego gegantí amb què es construeix tota la realitat material que ens envolta.

La manera com aquestes partícules es mouen i la seva naturalesa, les descriu la mecànica quàntica. Aquestes partícules no són, doncs, pedretes de debò; són més aviat quàntums dels camps elementals corresponents, així com els fotons són els quàntums del camp electromagnètic. Són excitacions elementals, d’un substrat mòbil semblant al camp de Faraday i Maxwell. Són ones minúscules que es desplacen; que desapareixen i reapareixen segons les estranyes regles de la mecànica quàntica, on allò que existeix no és mai estable; només són salts d’una interacció a l’altra.

Encara que observem una regió buida de l’espai, on no hi hagi àtoms, també hi veiem proliferar mínimament aquestes partícules. No existeix l’autèntic buit, que sigui del tot buit. Així com el mar més encalmat vist de prop fa ones lleus i tremola, els camps que formen el món fluctuen a petita escala, i podem imaginar les partícules de base del món, contínuament creades i destruïdes per aquest tremolor, vivint vides breus i efímeres.

Aquest és el món que descriuen la mecànica quàntica i la teoria de partícules, ara ja molt allunyat del món mecànic de Newton i Laplace, on tot de pedretes minúscules i fredes vagaven eternes per trajectòries precises d’un espai geomètric immutable. La mecànica quàntica i els experiments amb partícules ens han ensenyat que el món és una proliferació contínua i bellugadissa de coses, entitats efímeres que vénen a la llum i desapareixen sense parar. Un conjunt de vibracions, com el món dels hippies dels anys seixanta. Un món d’esdeveniments, no de coses.

Els detalls de la teoria de partícules van ser construïts lentament durant els anys cinquanta, seixanta i setanta del segle XX. Hi van participar els grans físics de l’època, com ara Feynman i Gell-Mann, i entre ells una nodrida colla d’italians. El resultat d’aquesta construcció és una teoria rebuscada, basada en la mecànica quàntica, que porta el nom poc elegant de «model estàndard de les partícules elementals». El «model estàndard», enllestit als anys setanta, ha estat confirmat per un llarg seguit d’experiments que n’han verificat totes les previsions. Entre els primers hi ha els mesuraments que el 1984 van valer el Premi Nobel a l’actualment senador italià Carlo Rubbia. L’última confirmació va venir amb la revelació del bosó de Higgs el 2013.

Però malgrat la llarga sèrie d’èxits experimentals, els físics no s’han pres mai del tot seriosament el model estàndard. És una teoria que, si més no a primera vista, fa pinta d’apedaçada i espigolada. És feta de diversos trossos i equacions ajuntats sense un ordre clar. Un cert nombre de camps (per què precisament aquests?) que interaccionen entre si amb certes forces (per què precisament aquestes?), cadascuna de les quals determinada per certes constants (per què precisament aquests valors?) que respecten certes simetries (per què precisament aquestes?). Queda lluny de l’aèria simplicitat de les equacions de la relativitat general i de la mecànica quàntica.

Així mateix, la manera com les equacions del model estàndard donen previsions sobre el món és absolutament recargolada. Utilitzades directament, aquestes equacions porten a previsions insensates, on tota quantitat calculada resulta infinitament gran. Per obtenir resultats sensats cal imaginar que els paràmetres que hi entren són, al seu torn, infinitament grans, per tal de compensar els resultats absurds i donar-ne de raonables. Aquest procediment recargolat i barroc s’anomena amb el terme tècnic de «renormalització»; a la pràctica funciona, però deixa un regust amarg a qui voldria que la natura fos simple.

Durant els últims anys de la seva vida, Paul Dirac, el científic més important del segle XX després d’Einstein, gran arquitecte de la mecànica quàntica i autor de la primera i principal equació del model estàndard, va expressar de manera repetida el seu descontentament per tal com estaven les coses: «Encara no hem resolt el problema», deia.

El model estàndard també té un defecte que crida molt l’atenció. Al voltant de cada galàxia, els astrònoms observen els efectes d’un gran halo de matèria, que revela la seva existència per la força gravitacional amb què atrau estels i desvia la llum. Però aquest gran halo, del qual observem els efectes gravitatoris, no el podem veure directament i no sabem de què està fet. S’han estudiat moltes hipòtesis, però no sembla que cap funcioni. Que hi ha alguna cosa ara ja sembla evident; però què és, no ho sabem. Actualment en diem «matèria fosca». Sembla que es tracta d’una cosa que el model estàndard no descriu, perquè, si no, la veuríem. Una cosa que no és ni àtoms, ni neutrins, ni fotons…

No sorprèn que hi hagi més coses al cel i a la Terra, benvolgut lector, de les que somia la nostra filosofia, i la nostra física. En el fons, fins fa pocs anys ni tan sols sospitàvem que existissin les ones de ràdio o els neutrins, que tanmateix omplen l’univers.

El model estàndard continua sent el millor que sabem dir avui dia sobre el món de les coses; les seves prediccions han estat totes confirmades i, deixant de banda la matèria fosca —i la gravetat, descrita per la relativitat general com la curvatura de l’espaitemps—, descriu prou bé tots els aspectes del món que veiem. S’han proposat teories alternatives, però han estat demolides pels experiments.

Per exemple, una teoria molt maca proposada als anys setanta, anomenada amb el nom tècnic de SU(5), substituïa les equacions alterades del model estàndard per una estructura força més bonica i senzilla. La teoria preveia que el protó es podia desintegrar amb una certa probabilitat i transformar-se en partícules més lleugeres. Es van construir grans màquines per veure els protons desintegrar-se. Diversos físics han dedicat la vida a intentar observar aquest procés. (No es mira un sol protó cada vegada, perquè triga massa a desintegrar-se: s’agafen tones d’aigua i s’hi posen al voltant reveladors sensibles dels productes de la desintegració). Però, ves, no s’ha vist mai cap protó desintegrar-se. La bonica teoria SU(5), si bé molt elegant, no deu haver agradat al bon Déu.

Ara la història es repeteix amb un grup de teories anomenades supersimètriques, que preveuen l’existència d’una nova classe de partícules. Durant tota la meva vida de físic, he sentit col·legues que esperaven convençuts que veurien aquestes partícules l’endemà. Han passat dies, mesos, anys, dècades, però, de moment, no han aparegut. La física no és sempre una història d’èxits.

Ens quedem el model estàndard. Potser no és gaire elegant, però funciona molt bé, descriu el món del nostre entorn. I, qui sap, potser ben mirat no és que no sigui elegant: potser som nosaltres que encara no hem après a mirar-lo des del punt de vista adequat per comprendre la simplicitat que amaga. Ara per ara, això és el que sabem de la matèria: un grapadet de diferents tipus de partícules elementals, que vibren i fluctuen sense parar entre l’existència i la no-existència, proliferen per l’espai fins i tot quan sembla que no hi ha res, es combinen entre si fins a l’infinit, com les vint lletres d’un alfabet còsmic, per explicar la immensa història de les galàxies, dels estels incomptables, dels raigs còsmics, de la llum del sol, de les muntanyes, dels boscos, dels camps de blat, dels somriures dels joves a les festes i del cel negre i estrellat de la nit.