Obstoj treh generacij osnovnih delcev še vedno ena od ugank moderne fizike

Svet okoli nas sestavljajo osnovni delci snovi in sil

Kot je v četrtkovem pogovoru pojasnil Jernej Fesel Kamenik z Instituta Jožef Stefan in Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, svet, kot ga razumemo danes, sestavljajo osnovni delci snovi, ki jih imenujemo fermioni. Empirično potrjena fizikalna teorija, poznana pod imenom standardni model, opisuje tri generacije okusov osnovnih delcev.

Za večino pojavov, ki jih lahko opazimo okrog nas, bi lahko popolnoma ustrezno zadoščali že štirje osnovni gradniki iz prve generacije: leptona - elektron in elektronski nevtrino - ter kvarka u (up - zgornji) in d (down - spodnji), ki tvorita protone in nevtrone v atomskih jedrih. "Če bi bili omenjeni delci vse, kar opazimo v naravi, pa ne bi govorili o različnih okusih delcev, ampak bi govorili zgolj o osnovnih delcih, ki sestavljajo snov okrog nas," je pojasnil.

Poznejša odkritja so vodila v raziskovanje druge generacije osnovnih delcev, ki jih predstavljajo leptona mion in mionski nevtrino ter kvarka s (strange - čuden) in c (charm - čaroben), in nato še do potrditve obstoja tretje generacije, ki jo sestavljajo leptona tau in tauonski nevtrino ter kvarka b in t.

Ko govorimo o standardnem modelu, pa ne smemo pozabiti tudi na delce sil oz. tako imenovane bozone, ki posredujejo interakcije med delci snovi. V tem okviru poznamo elektromagnetno silo, ki veže atome, šibko silo, ki je odgovorna za radioaktivne razpade in zaradi katere zvezde sploh lahko sijejo, jedrsko silo, ki veže kvarke v nukleon, in Higgsovo silo, ki povzroči, da imajo nekateri osnovni delci maso, je pojasnil.

Vsakemu izmed delcev snovi v standardni teoriji pripada tudi njegov antidelec, ki ga je prav tako mogoče ustvariti v laboratorijih. Antidelec je na prvi pogled osnovnemu delcu sicer identičen - ima na primer povsem enako maso - kljub temu pa se od njega tudi pomembno razlikuje. Pri medsebojnem trku se delec in njegov antidelec medsebojno izničita in celotno svojo maso spremenita v energijo. Lastnosti tako osnovnih delcev kot njihovih antidelcev strokovnjakom omogočajo raziskovanje skrivnosti vesolja, predvsem kako se je in kako se razvija.

V vesolju je sicer po besedah Fesel Kamenika opaziti več snovi kot antisnovi. Vprašanje, od kod izvira nesorazmerje med količino snovi in antisnovi v vesolju, prav tako pa obstoj zgolj treh generacij osnovnih delcev za raziskovalce še vedno predstavljata ključni uganki moderne fizike.

Obstoj treh generacij osnovnih delcev še vedno uganka

Matematična struktura standardne teorije osnovnih delcev omogoča, da lahko določeni procesi v našem vesolju ločujejo med delci in antidelci samo, če imamo vsaj tri generacije delcev snovi. "To spoznanje pa bi morda lahko vodilo tudi do našega razumevanja, zakaj v vesolju opazimo malce več snovi, kot antisnovi," je dejal Fesel Kamenik. Vprašanje, od kod izvira nesorazmerje med količino snovi in antisnovi v vesolju, prav tako pa obstoj zgolj treh generacij osnovnih delcev za raziskovalce še vedno predstavljata ključni uganki moderne fizike.

Da so v naravi natanko tri generacije osnovnih delcev, in ne več, raziskovalci vedo iz mnogih eksperimentalnih meritev. Te večinoma potekajo na visokoenergijskih trkalnikih delcev, kot sta veliki hadronski trkalnik LHC v Evropskem centru za jedrske raziskave (Cern) v Ženevi, kjer sodeluje tudi Fesel Kamenik, in trkalnik elektronov in pozitronov SuperKEKB na Japonskem.

"Gre za meritve procesov in lastnosti obstoječih delcev, ki jih poznamo in tvorijo konsistentno sliko, ki tudi z izredno veliko gotovostjo izključuje možnost, da bi lahko celotno sliko generacij nadaljevali še s težjimi generacijami," je pojasnil. "Vemo torej, da ne obstaja zgolj ena generacija osnovnih delcev, ampak obstajajo tri in izključno tri generacije," je dodal.

Pri raziskavah fizike osnovnih delcev ključnega pomena strojno učenje

Pri raziskovanju in pojasnjevanju različnih pojavov, ki so del fizike osnovnih delcev, pomembno pripomorejo metode strojnega učenja. Po besedah Fesel Kamenika pristope strojnega učenja raziskovalci uporabljajo na različnih nivojih, na primer pri zasnovi modelov, s katerimi poskušajo pojasniti določene zanimive pojave, rekonstrukciji dogodkov oz. "slik", ki jih v visoko zmogljivih trkalnikih delcev posnamejo detektorji delcev - današnji kvantni mikroskopi - in izluščenju zanimivih signalov iz številčnega ozadja v eksperimentih.

Preučevanje uporabe strojnega učenja pa je tudi poglavitni namen evropskega projekta SMASH, v katerem sodeluje Fesel Kamenik. Kot so nedavno napovedali na Univerzi v Novi Gorici, projekt razpolaga s sredstvi v višini 10 milijonov evrov. V okviru projekta bo 50 podoktorskih raziskovalcev tekom petih let preučevalo uporabo umetne inteligence oziroma metod strojnega učenja za raziskave v naravoslovju in humanistiki. Med drugim bo Fesel Kamenik poskušal razvijati nove računalniške algoritme, ki bodo znanstvenikom v pomoč pri iskanju odgovorov na uganke vesolja.