Kergete hadronite massid arvutati enneolematu täpsusega

Esmapilgul näib niisugune töö igava tehnilise nokitsemisena, kuid lähemalt vaadates on tegemist olulise töövõiduga teoreetilises osakestefüüsikas.

Olgu öeldud, et massid, mis arvutustel leiti, olid katsetest teada ennegi. Miks on siis nii tähtis juba mõõdetud suurusi tagantjärgi arvutada, eriti kui see tähendab mahukat ja aeganõudvat tööd, rahakulust rääkimata? Mis tõstab selle arvutuse teiste taoliste seas esile? Nendele küsimustele vastab ajakirja Nature värske numbri veergudel Nobeli preemia laureaat Frank Wilczekm, vahendas fyysika.ee.

Mida suurema suurendusega me end ümbritsevaid asju vaatame, seda kummalisemaks ja vähem vaistlikuks nähtu muutub. See on ka loomulik, kuivõrd oleme aastatuhandete vältel kohanenud hakkama saama maailmas, millest kõige vahetumalt tunnetame endaga sarnases mõõdus kehasid ja nende käitumist. Juba valgusmikroskoobis nähtavad rakud näivad justkui teisest maailmast.

Olukord muutub hoopis imelikuks, kui jõuame niisuguse suurenduseni, kus vaadeldavad objektid on valguse lainepikkusega võrreldava suurusega ja nende vaatamine igapäevaelust tuttavas tähenduses osutub põhimõtteliselt võimatuks. Uudishimu muidugi ei lõpe, vaid pigem kasvab seal, kus silm enam nii hästi ei seleta. Aatomeid ja molekule saab vaatamise asemel kompida - selleks kasutatakse elektron- ja aatomjõumikroskoope.

Aatomite siseelus nuhkimiseks peab tarvitusele võtma juba kaudsemad meetodid - radioaktiivse lagunemise uurimine on andnud ettekujutuse aatomituumade ehitusest. Loomulikult saab edasi küsida, kas ka tuumasid moodustavad prootonid ja neutronid koosnevad omakorda väiksematest osadest. Ilmselt koosnevad - niisugusele järeldusele jõudis Murray Gell-Mann seletamaks erinevate katsetes leitud osakeste rohkust 1960ndatel aastatel. Suuresti tema teenena loodi kvarkide mudel. Teadlased said ka ise suurepäraselt aru, et nad omajagu veidrate osakestega tegelevad; nimi kvark laenati James Joyce'i raamatust "Finnegan's Wake", kus selle tähendus jäi selgusetuks. Prootonite ja neutronite koostises on kvarkidel siiski selge tähendus ja roll.

Kvarkide käitumise kirjeldamiseks loodud mudel kannab kvantkromodünaamika nime. Etteruttavalt võib öelda, et sissejuhatuses mainitud artiklis esitatakse arvutuste tulemused, mis kinnitavad just selle mudeli head paikapidavust. Kvantkromodünaamika kirjeldab kvarke ja nende vahel mõjuvaid jõude vahendavaid gluuoneid kvantväljateooria matemaatilises keeles. Osakestele vastavad väljad täidavad kogu ruumi pidevalt, neid kirjeldavaid võrrandeid paraku analüütiliselt lahendada ei osata.

Selleks, et arvuti saaks võrrandeid järk-järgult lahendada, peab mudeli kohaselt igale ruumipunktile omistama 84 seda punkti kirjeldavat suurust. Pidevas ruumis on see muidugi võimatu, sest punkte on lõpmata palju ja ühelgi arvutil pole lõputult mälu.

Kui ruum jagada mõttes võretaoliselt, kus muutujad kirjeldatakse ainult võre sõlmpunktides, saab niisugust ruumi kirjeldavad võrrandid juba arvutile lahendada anda. Nii talitasid Science'i artikli autorid. Nende arvutused teeb eriliseks aga eelkõige see, et suure täpsusega on leitud ja minimiseeritud erinevatest lähendustest tulenevad määramatused. Tulemusena leitakse paljude kvarkidest koosnevate osakeste massid umbes 1 protsendilise määramatusega. Kuid mis on ikkagi niisuguse teadmise väärtus, kui samad tulemused on katsetest teada?

Kui me teame, et mudel - antud juhul kvantkromodünaamika võremudel - on teostatavate katsetega heas kooskõlas, on alust arvata, et ka selle mudeli muud osad võivad loodust hästi kirjeldada. Supernoovaplahvatustel ja tähtede sisemustes toimuvates protsessides mängivad eksootilised lühiealised osakesed suurt rolli. Võime niisuguseid protsesse usaldusväärselt modelleerida lubab paremini mõista ka tähtedes ja supernoovaplahvatustel toimuvat.

Frank Wilczek näeb suurematki väärtust lähenemises täppisteaduslikule ideaalile, kus looduse fundamentaalne olemus, mitte ainult liikumiste kirjeldus, on matemaatiliselt täpselt väljendatav. Hirm, et kõik maailmas leiduv taandubki peatselt arvutusülesandele, on siiski alusetu. Kui meil olekski teada kõik võrrandid - sellestki oleme kaugel - poleks praeguste vahenditega lootust neid vähegi suuremate kehade jaoks lahendada