El professor Maxim Khlopov parla sobre física de cosmopartícules, la ciència de la relació fonamental entre la teoria de l’Univers i la física del micromón

El professor Maxim Khlopov parla sobre física de cosmopartícules, la ciència de la relació fonamental entre la teoria de l'Univers i la física del micromón

Maxim Yurievich Khlopov  (http://www.apc.univ-paris7.fr/~khlopov/)

és professor, doctor en ciències físiques i matemàtiques. És investigador principal de l’Institut de Física, de la Universitat Federal del Sud. Professor del Departament de Física de Partícules Elementals, NRNU MEPhI, director de l’Institut Virtual de Física d’Astropartícules (VIA), President del Centre de Física de Cosmopartícules “Cosmion”.

Es va graduar amb honors a l’Institut de Física i Tecnologia de Moscou el 1974, el tema de la seva primera tesi doctoral va ser “Efectes físics i astrofísics de les interaccions febles” (1977), el tema de la seva segona tesi doctoral és “Manifestacions astrofísiques d’interaccions súper febles entre partícules elementals”(1986). Khlopov va treballar en Ya.B., el grup de Zeldovich a l’Institut Keldysh de Matemàtica Aplicada entre 1977-2004, va exercir com a científic visitant a l’Observatori Astrofísic Especial (N.Arkhyz, Rússia) el 1987 -1990, com professor MIUR a la Universitat de Roma “la Sapienza” entre 2002-2004, va fer visites com a especialista al Sector INFN de Lecce (Itàlia), al Centre d’Investigació de Temperatures Molt Baixes (CRTBT, Grenoble, França) i al Laboratori de Física i Cosmologia subnuclear (LPSC, Grenoble, França) en 2005-2006.

Ha dut a terme la gestió científica del projecte de l’Institut Virtual de Física de Astropartícules, basat en el laboratori APC (París, França), alhora que va mantenir els seus llocs en MEPhI i en Cosmion, des de 2007.

Juntament amb A.D. Sakharov, va crear el 1989 el Consell Científic de l’Acadèmia de Ciències de l’URSS sobre física de cosmopartícules i, el 1992, el Centre de física de cosmopartícules “Cosmion” per a la implementació d’un programa d’investigació elaborat per aquest Consell. Khlopov va ser l’organitzador de les conferències internacionals sobre física de cosmopartícules Cosmion-94 (Moscou), Cosmion-96 (Moscou), Cosmion-97 (Moscou), Cosmion-99 (Moscou), Cosmion-2001 (Moscou-Sant Petersburg) i Cosmion-2004 (Moscou-Sant Petersburg-París), en el qual es van presentar els resultats d’aquesta investigació.

Organitza tallers anuals de Bled a Eslovènia des del 2010 anomenats “Què va més enllà dels models estàndard?”

Ha ocupat el càrrec d’investigador cap a l’Institut de Física de la Universitat Federal de al Sud, duent a terme la gestió científica dels “Estudis de física de cosmopartícules de diversos tipus d’extensió del Model Estàndard basat en restriccions sobre la naturalesa de la matèria fosca de l’Univers a partir de les dades de física i astrofísica d’alta energia “projecte N-18-12-00213 amb el suport de la Fundació de Ciències de Rússia des 2018.

És membre de Gravitation and Cosmology, d’International Journal of Modern Physics D, Symmetry, Particles, Universe, Physics, forma part de el Consell Editorial de totes aquestes revistes científiques internacionals.
Khlopov és l’autor de 24 llibres, llibres de text i capítols en llibres. Entre ells es troba la monografia “Física de cosmopartícules”(https://www.worldscientific.com/doi/pdf/10.1142/3522), publicat el 1999 per World Scientific, “Cosmological Pattern of Microphysics in the Inflationary Universe” (https://www.springer.com/gp/book/9781402026492?cm_mmc=sgw-_-ps-_-book-_-1-4020-2649-8), publicat per Kluwer Academic Publishers in 2004, Basics of Cosmoparticle Physics http://urss.ru/cgi-bin/db.pl?lang=ru&blang=ru&page=Book&id=116893, publicat per la URSS en 2004 (2a edició 2011) i el “Fundamentals of Cosmic Particle Physics” (https://link.springer.com/book/10.1007%2F978-1-907343-72-8#about), publicat per CISP – Springer en 2012.

Camp de recerca: física de les cosmopartícules, matèria fosca, forats negres primordials, física de partícules elementals.

Què és la física de Cosmopartícules?

La física de les cosmopartícules és una ciència que estudia els fonaments del micro i macrocosmos i la seva relació fonamental, que es manifesta en una combinació complexa d’efectes microfísics, astrofísics i cosmològics. La seva aparició és una etapa natural en el desenvolupament de la cosmologia i la física de partícules elementals, en la qual les seves construccions teòriques i tot un seguit de principis fonamentals es veuen obligats a confiar en idees, processos i fenòmens que són inaccessibles per a la verificació directa de laboratori i, per tant, requereixen, accions indirectes, incloent mètodes astronòmics d’investigació.

Al respondre preguntes sobre les causes de l’expansió cosmològica, sobre l’origen de la matèria bariònica i sobre l’existència en l’Univers d’altres formes de matèria no bariòniques, la cosmologia moderna va més enllà del camp de la física estudiada experimentalment i atreu inevitablement tals prediccions de la teoria de la partícula elemental, la verificació, al seu torn, es basa en els seus efectes cosmològics. La sortida d’aquest cercle viciós de problemes està associada amb el desenvolupament de la física de partícules cosmo. Aquesta gènesi de la ciència reflecteix l’etapa inevitable de el desenvolupament intern de la cosmologia i la física de partícules elementals.

Quins altres fenòmens observables inexplorats estan implicats en la física de cosmopartícules?

La física de masses de neutrins i les seves manifestacions cosmològiques, fonaments físics i possibilitats de recerca astronòmica de matèria mirall i ombra, neutrins massius inestables, axions invisibles, fluxos de partícules energètiques sense equilibri en l’Univers i teoria de nucleosíntesi còsmica sense equilibri, biosíntesi no homogènia, fonts de antinucleons i antimatèria dominis en l’univers asimètric bariònic, forats negres primordials, una varietat de partícules estables i inestables de matèria fosca està lluny de ser una llista completa d’aquests elements de l’anàlisi de física de cosmopartícules, el que ens permetrà abordar un estudi exhaustiu de l’Univers i les lleis físiques això va determinar el seu origen, estructura i evolució. S’ha de prestar especial atenció a el paper de la investigació nacional i el patrimoni de les escoles científiques russes en la formació de la física de cosmopartícules, la seva importància en el context de el desenvolupament modern de la ciència mundial.

La barrera més seriosa per a la percepció de la física de les partícules del cosmo és la psicològica. El seu tema de recerca és doblement inusual. Aquesta ciència està interessada en rares interaccions desconegudes. Esdeveniments estranys o una nova interpretació de fets ja coneguts resulten temes d’interès en astronomia. Atreu i excita la imaginació com qualsevol objecte exòtic. En la mateixa mesura, un ho percep de forma remota, precisament com una cosa exòtica, brillant, enganxós i bell, però sense oferir més que un lleuger entusiasme, que no atorga res a la ment i al cor. L’altre costat de la física de les cósmopartícules, que no encaixa en el marc dels estereotips predominants, és l’absència d’experiments directes per verificar les seves idees, la necessitat de combinar mètodes d’observació i experimentació heterogenis per a aquesta verificació.

Prendrà milers de milions d’anys provar la teoria de l’Univers!

Sembla que la lògica habitual de el desenvolupament científic, que és l’expectativa de la confirmació experimental de cada nou supòsit teòric, no funciona aquí, ja que aquests supòsits es relacionen amb processos en el món de partícules elementals, que sovint és inaccessible per a estudis de laboratori, i impliquen etapes de l’evolució de l’Univers, que no es poden registrar directament en observacions astronòmiques.

No obstant això, aquestes barreres són superables. La ciència assimila conceptes inusuals ràpidament, es tornen generalment acceptats i necessaris, i el mètode de provar-los només a primera vista és notablement diferent dels mètodes aprovats d’investigació de laboratori.

Havent sorgit sobre la base de les idees de la gran unificació de les forces fonamentals naturals, la física de les cosmopartícules necessàriament combina l’anàlisi amb la síntesi en la seva construcció. Aquesta és la seva especificitat; o potser l’especificitat d’això avui.

Històricament, què va desenvolupar la relació d’astronomia i física, i què va conduir a l’origen de la física de cosmopartícules?

La física de les cosmopartícules és un resultat natural del desenvolupament intern de la física i la cosmologia de les partícules elementals. Aquest origen de la ciència es deu a la fusió de dues tendències: el desenvolupament de la teoria de les partícules elementals, les manifestacions no trivials es revelen només en processos a energies ultraaltes, i l’aparició d’idees sobre noves formes de matèria necessàries per a un autocontrol. Descripció consistent de la col·lecció de fenòmens observats en l’Univers. Una comprensió clara de la relació entre el problema de determinació de l’estructura de l’micromón i el problema fonamental de l’estructura del macrocosmos va portar la consideració conjunta dels micro i macrocosmos a un nou nivell, en el qual aquestes tasques es fusionen, formant una nova qualitat. L’estructura del micromón en la física de partícules del cosmo està expressada per l’harmonia de les esferes celestes.

Un rastreja la connexió d’idees sobre el micro i macrocosmos en totes les etapes del seu desenvolupament. Els judicis sobre l’univers i els seus arcs, que constitueixen un sol conjunt, van romandre purament especulatius durant molt de temps. Tals fonts de judicis van ser observacions i conclusions basades en elles.

Llavors van arribar els instruments òptics, que van armar l’ull de l’observador. Curiosament, el mateix principi físic li permet a un acostar-se a la profunditat dels fenòmens amb un microscopi o expandir la cosmovisió amb un telescopi. Probablement no hagi estat una coincidència que Galileu Galilei va ser el científic, el que va originar tant l’experiment físic com l’astronomia òptica. L’astronomia òptica i la física experimental van començar a desenvolupar-se independentment a partir d’aquest moment. La seva especificitat també es va revelar clarament.

En astronomia només es va concedir una mirada propera a les manifestacions externes dels objectes extraterrestres, els intestins estan tancats als ulls, per observar els resultats dels processos, les causes i el curs dels quals estan fora de control. És possible fragmentar els objectes d’investigació, aprofundint en la seva essència en un experiment físic; Podeu canviar les condicions inicials i controlar el procés. Per tant, no és sorprenent que en la relació entre astronomia i física, els científics prestessin més atenció a el desenvolupament d’aquest últim, que va determinar tant el progrés de l’astronomia com el grau de comprensió dels resultats astronòmics.

Així, la física va investigar l’estructura dels àtoms i dels seus espectres de radiació i així armava a l’astronomia amb mètodes d’anàlisi espectral. Les lleis físiques de la interacció de la matèria i la radiació van formar la base per comprendre les lleis de la radiació estel·lar, i el desenvolupament de la física nuclear ha obert als astrònoms les fonts d’energia d’aquesta radiació. Un pot comptar amb els dits als responsables de signes astrofísics de gratitud a la física. Entre ells, es pot esmentar el descobriment d’heli de les línies d’emissió solar i l’existència del nivell d’excitació en carboni, teòricament predit per explicar la combustió termonuclear d’heli a les estrelles. Semblava que l’astrofísica estava destinada només a el desenvolupament de lleis físiques fermament confirmades en els laboratoris, a el paper d’un tipus de polígon que refracta els efectes coneguts amb combinacions estranyes de condicions sobrenaturals per a l’estudi.

No obstant això, l’Univers no estacionari apareix davant de la mirada mental de Friedman en els anys 20 de segle XX, i l’observació de Hubble va confirmar la seva variabilitat. En lloc de l’Univers etern i immutable, s’ha obert una imatge de l’Univers, expandint-se en un temps finit d’una fase superdensa a un estat modern.

Per tant, l’astronomia va proporcionar a la física un accelerador natural. Només ara, l’escala i el significat s’estan tornant completament reconeguts per la física de partícules. La creació de la inestable teoria de l’Univers va ser realitzada gairebé una dècada abans de tenir lloc l’enderrocament revolucionari realitzat en la dècada de 1930 pel que fa al concepte de partícules elementals.

La física de partícules va trobar una sortida als problemes dolorosos associats amb la conservació de l’energia i l’impuls a la desintegració beta, amb una catàstrofe de “nitrogen” i un misteri de l’estructura del nucli al rebutjar la idea de partícules eternes i immutables, en la transició a idees sobre la possibilitat de la seva creació i aniquilació en els processos de les seves interaccions. Una altra lliçó que es va ensenyar en la dècada de 1930 va ser que el nombre de partícules elementals a la Natura va resultar ser significativament més gran del que requereix una imatge simple i econòmica de l’estructura de la matèria.

Segons les revolucions en la física de partícules elementals i en la ciència de l’Univers en el seu conjunt, la cosmologia va tenir lloc en una dècada, i encara que van cobrir àrees de coneixement que no es creuaven en aquest moment, la proximitat en el temps d’aquests dos esdeveniments estava lluny de ser accidental. El fet de la consciència de l’Univers sobre la inestabilitat ha preparat psicològicament un canvi d’idees sobre les propietats de les partícules elementals; no hi ha lloc per partícules eternes i immutables en l’Univers, ja que amb el temps aquestes canvien radicalment el seu estat. Per tant, hi ha un canvi d’opinió sobre els fonaments físics, les lleis de conservació i interacció de partícules elementals.

Per tant, la conservació de la càrrega elèctrica no va ser una simple conseqüència de la conservació eterna de les partícules carregades elèctricament, sinó una regla no trivial que determina un equilibri local estricte de l’aniquilació i creació de les partícules carregades. La idea d’una càrrega com la mesura d’interacció electromagnètica també ha canviat des d’una característica inherent d’una partícula eterna i immutable a una característica de la llei de transformació, en què l’aniquilació de la partícula carregada inicial i la final van ser acompanyades per la creació o l’aniquilació del quàntic electromagnètic.

Aquest canvi d’opinió contenia una gran quantitat d’espai per a generalitzacions. Es podrien descriure les lleis de les transformacions nuclears sota la influència d’interaccions fortes i febles de manera similar. L’aniquilació i el naixement de les partícules van acompanyats en aquestes transformacions per la creació i aniquilació de camps d’interaccions fortes o febles.

Els científics podrien haver fet un pas lògic cap a una descripció uniforme de totes les interaccions fonamentals en la dècada de 1930, però de fet, va portar mig segle implementar-la. La dificultat del camí cap a una descripció unificada de totes les interaccions es va deure a la necessitat de combinar la similitud de la descripció amb la diferència en aquestes propietats observades de les interaccions. Calia explicar per què la interacció feble es manifesta només a distàncies petites la transformació de les partícules particulars de les quals causen una interacció forta, i amb quines càrregues interactua seu quanta de camp.

Aquestes i altres preguntes i respostes van formar la base de la teoria moderna de les interaccions electromagnètiques, febles i fortes, basades en la simetria de les transformacions de partícules i explicant les diferències observades en les seves propietats al trencar aquesta simetria. A l’expandir la simetria va ser possible passar de la uniformitat de la descripció de les diferents interaccions a la seva unitat fonamental. Tal pas, inicialment recolzat per l’esperança de la confirmació experimental de la desintegració de protons, i per una connexió rígida consistent amb les dades experimentals de les càrregues d’interaccions febles i electromagnètiques, va significar un salt en la teoria a la regió de les energies súper altes, inaccessible per dirigir l’estudi experimental.

La teoria va perdre suport directe dins de la física experimental d’alta energia amb aquest pas. La teoria hauria d’haver passat de la verificació experimental directa habitual de les seves prediccions a l’anàlisi combinada de manifestacions indirectes de les seves construccions fonamentals. El món de la física d’alta energia, que fins ara depenia de les seves pròpies capacitats experimentals, ha obert tots els mètodes indirectes permesos per estudiar fenòmens hipotètics, l’estudi experimental directe no és possible. En aquest context, la relació de la física de partícules amb la cosmologia és de particular importància, convertint-se en un pilar necessari del desenvolupament de la teoria de partícules.

Aquesta relació es converteix en la base necessària per al desenvolupament de la cosmologia moderna. La teoria de l’univers en expansió es va desenvolupar inicialment de manera relativament independent. El descobriment de el fons tèrmic de la radiació electromagnètica en 1965 va confirmar l’anomenat model calent de l’Univers en expansió presentat per G. Gamov. La temperatura actual d’aquesta radiació és baixa (2.7K), la seva densitat d’energia és baixa en comparació de la densitat d’energia dels àtoms en repòs, però, seguint la coneguda llei d’expansió, arribem a la imatge no només de la densitat , sinó també de l’estat calent de la substància amb la seva densitat d’energia de radiació dominant.

Les primeres dades de l’Univers són molt interessants. Va ser “fred” o “calent”?

Estimacions simples mostren que des d’hora la matèria i la radiació estaven en equilibri termodinàmic en l’Univers. La combinació de la llei d’expansió de l’Univers amb les lleis de la termodinàmica van permetre obtenir una imatge lògicament tancada de l’evolució cosmològica de la matèria i la radiació, en la qual les partícules elementals descobertes per la física d’alta energia van introduir només petites correccions quantitatives. Les observacions astronòmiques van confirmar qualitativament aquesta imatge de la transformació del plasma calent dominada per la radiació en la moderna estructura de la matèria no homogènia penetrada per una radiació de fons uniforme.

Qualitativament, internament autoconsistent, aquesta imatge requeria, però, l’especificació de certes condicions inicials a temperatures i densitats molt altes en etapes molt primerenques de l’expansió de l’Univers, la informació d’observació està absent. Per justificar aquestes condicions inicials, la cosmologia hauria d’haver recorregut a tals prediccions de la teoria de partícules elementals que van resultar inaccessibles per a la verificació de laboratori.

Sobre la base d’exactament aquestes nocions de física de partícules, que no es van verificar en els laboratoris, la cosmologia moderna va aconseguir substanciar les causes d’expansió i la notable homogeneïtat de la part observada de l’Univers, creant una teoria de l’Univers inflacionari, explicant la seva asimetria bariònica i la naturalesa de les petites inhomogeneïtats inicials, el desenvolupament va conduir a la formació de l’estructura a gran escala de l’Univers modern, coordinant quantitativament la formació d’aquesta estructura amb la isotropia de radiació relicta observada.

Vam aconseguir aquests èxits de la cosmologia moderna a costa d’atreure formes hipotètiques de matèria a la teoria que va determinar la matèria fosca de l’Univers en diverses etapes de la seva evolució. Per tant, els fonaments de la cosmologia moderna inaccessibles per a la verificació directa en les observacions astronòmiques es fusionen amb els fonaments de la teoria de partícules moderna inaccessible per a l’experiència directa.

Fins que la física de partícules es va limitar a l’estudi de les transformacions individuals de partícules elementals conegudes, una crida al món en el seu conjunt semblava innecessària per les seves construccions teòriques. D’altra banda, el coneixement de les lleis generals d’evolució de l’Univers a primera vista també tenia poc en comú amb les representacions detallades dels processos individuals de partícules elementals.

Quin és el paper de la física de les partícules elementals a la teoria de l’origen de l’univers i de la seva estructura?

Tornant als fonaments de la simetria de partícules i les condicions inicials d’expansió de l’Univers, trobem un vincle inextricable entre la física de partícules elementals i la cosmologia. Hi ha una base única per al micro i macrocosmos. L’estudi d’aquesta base única en tota la varietat de les seves manifestacions és el tema de la física de les partícules cosmo.

En el camí cap a una descripció unificada de l’estructura de micro i macrocosmos, la física de les cosmopartícules combina naturalment estudis teòrics, un experiment computacional i tots els mètodes possibles per obtenir informació indirecta en experiments de laboratori i observacions astronòmiques.

Aquests elements constitutius de la física de les cosmopartícules es basen en el progrés de el desenvolupament de mètodes experimentals no només en física d’alta energia, sinó també en cosmologia. L’alta precisió literalment “astronòmica” de determinar els paràmetres d’expansió de l’Univers, la seva estructura i evolució ens permet parlar de l’inici d’una era de “cosmologia de precisió”. El descobriment d’ones gravitacionals complementa l’estudi de l’Univers basat en dades sobre rajos còsmics, sobre radiació còsmica en diverses bandes espectrals (des d’ones de ràdio fins a raigs gamma) i sobre fluxos de neutrins còsmics. Això aplana el camí per a l’astronomia “multi-messenger”, que proporcionarà una comprensió integral de l’estructura dels objectes astronòmics i els processos astrofísics en ells.

Quant contribueixen els experiments del Gran Col·lisionador d’Hadrons a la investigació de la física de cosmopartícules?

La paradoxa de la situació actual és que, encara que els fonaments físics de la cosmologia moderna es basen en les extensions de el model estàndard de les partícules elementals, els experiments del Gran Col·lisionador d’Hadrons encara no llancen resultats positius per a la recerca de nous efectes (per exemple, noves partícules) predits en versions populars de tals extensions.

L’experiència històrica, però, mostra que la Natura mai justifica les nostres idees més simples sobre nous fenòmens en ella. Per tant, el fet que vivim en un Univers ple de 95% de matèria desconeguda i formes d’energia ens dóna la confiança que els mètodes de la física de partícules cosmo ens permetran apropar-nos a la seva naturalesa física i dominar el poder d’aquestes noves forces fonamentals de la natura.

Entrevista: Ivan Stepanyan

Read more: Ciència i enginyeria modernes amb Ivan Stepanyan ...