Gaur egun, fisikari teorikoen ahaleginak materia eta energia oinarrizko partikulen eta horien arteko interakzioen bidez esplikatzera bideratuta daude. Hainbat kasutan, lortu da materia- eta energia-formen izaera gobernatzen dituzten legeak oinarrizko printzipio eta osagai batzuetara "laburtzea" eta edo horien bidez "bateratzea". Bateratze-lan horren lehen adibide nabarmena James Clerk Maxwellen elektromagnetismoaren ekuazioak dira, ordura arteko elektrizitatearen eta magnetismoaren fenomenoak eremu-teoria bakarrera ekarri zituztenak. Bide horretan erdietsi den hurrengo garapen arrakastatsuena partikula-fisikaren eredu estandarra izenekoa da. Bidearen amaieran, ororen teoria (theory of everything) edo azken teoria legoke, naturako materiaren eta interakzio guztiaren teoria bateratua, edo hori da behintzat fisikari teorikoen ahaleginen helburu nagusia.

Eredu estandarrak esperimentalki behatu diren partikula guztien arteko interakzio guztiak egoki eta zehaztasun handiz deskribatzen ditu, eta oso arrakastatsua izan da, anitz baitira esplikatu dituen behaketa esperimentalak, eta aurresan dituen hainbat emaitza esperimental zehatz bete baitira. Hala ere, fisikari guztiak bat datoz "azken" teoriatzat jo ezin delako iritziarekin. Aurrerago azalduko ditugu zein diren eredu estandarraren mugak, hutsuneak eta gabeziak; baita horiek konpondu nahian proposatu diren zenbait garapen teoriko ere.

Eredu estandarraren eskema orokorra

Eredu estandarrak, eskematikoki, bi "osagai-mota" nagusi ditu: materia osatzen duten oinarrizko partikulak eta partikula horien artean gertatzen diren interakzioak edo indarrak. Eredu estandarrera bildu diren bi teoriak eremu-teoria kuantikoak dira, eta, horrelako ereduetan, partikulen arteko interakzioak indar-eramaile diren partikula batzuen "trukearen" bidez gertatzen dira. Materia osatzen duten partikulak fermioiak dira, eta interakzioa "bideratzen" dutenak, bosoiak. Bestetik, bi osagai-motak egoki deskribatzeko, eredu estandarrak simetria kontzeptua du giltzarri, aurrerago azalduko dugunez. Interakzioak direla eta, elektromagnetikoa, ahula eta bortitza daude landuta eredu estandarrean (grabitazioaren partikula indar-eramailea, grabitoia, hipotetikoa da). Ikusiko dugu, gainera, interakzio elektromagnetikoa eta ahula eremu-teoria kuantiko bakarrera bilduta edo bateratuta daudela, interakzio elektroahularen teorian, hain zuzen ere.

Materia osatzen duten partikulak: fermioiak

Fermioiek spin ez-osoa dute, eta Pauliren esklusio-printzipioa betetzen dute. Hamabi fermioi daude, eta bakoitzak bere antipartikula du. Fermioietan, leptoiak eta quarkak bereizten dira. Leptoiei ez die interakzio bortitzak eragiten, baina bai interakzio ahulak eta, karga badute, interakzio elektromagnetikoak. Hiru leptoi kargadun daude: elektroia, muoia eta tau partikula (elektroi). Gainerakoak, hiru neutrinoak (elektroi-neutrinoa, muoi-neutrinoa eta tau-neutrinoa), kargarik gabeak dira, eta interakzio ahulak soilik eragiten die. Neutrinoak oso zailak dira detektatzen, eta masarik izatekotan, oso txikia delako ustea da nagusi.

Quarkak leptoiak baino astunagoak dira, eta 2/3 edo -1/3 karga dute (quark). Quarken arteko interakzio bereizgarria interakzio bortitza da, baina elektromagnetikoan eta ahulean ere parte hartzen dute. Ez dira bakarka ageri, beste partikula batzuetan "konfinaturik" baizik. Hiru quarkez osatutakoak hadroiak dira, hala nola protoiak edo neutroiak (neutroi; protoi). Quark eta antiquark bat elkartzen direnean, mesoiak sortzen dira. Bi mota horiek ezin dira gaur egun oinarrizko partikulatzat hartu, partikula konposatutzat baizik.

Bestetik, fermioiak “belaunaldi” edo “familiatan” multzokatu ohi dira. Familia batean dauden partikula bakoitzak bere kidea du beste familia batean, eta desberdintasun bakarra bien arteko masa da. Lehen familian, elektroia, elektroi-neutrinoa, u quarka eta q quarka daude, hau da, ohiko materia osatzen duten oinarrizko partikulak. Bada, bigarren familian dagoen muoiak elektroiarekin duen alde bakarra da 200 aldiz masa handiagoa izatea. Familia-egitura eredu estandarraren abiapuntuan dagoen zerbait da, teoriak esplikatzen ez duena.

Interakzioen eramaile diren partikulak: bosoiak

Bosoiak fermioien arteko interakzioen "eramaileak" dira, interakzioan parte hartzen duten fermioiek "trukatzen" dituzten partikulak, alegia. Spin osoa dute, eta ez dute Pauliren esklusio-printzipioa betetzen.

Interakzio-motaren arabera bereizten dira:

• Interakzio elektromagnetikoa: fotoia.

• Interakzio ahula: W–, W+ eta Z0 partikulak.

• Interakzio bortitza: gluoiak.

Bada teorikoki postulatu den beste bosoi bat, interakzio grabitatorioaren partikula eramailea litzatekeena: grabitoia.

Aurreko bosoi guztiak gauge bosoiak dira. Hori da, berez, interakzioa bideratzen duten bosoien izendapen tekniko zehatza. Izan ere, beste bosoi bat proposatu da, indar-eramaile ez dena: Higgs bosoia. Aurrerago, xeheago azalduko dugu urtetan hipotetikoa baino izan ez den eta 2012ko uztailean aurkitu zen partikula honek eredu estandarrean betetzen duen funtzioa, batez ere interakzio ahulean parte hartzen duten bosoien (eta, oro har, masadun partikula guztien) masaren jatorria esplikatzeko; eta berebiziko garrantzia izan duela, beraz, partikula horren existentzia baieztatzeak.

Horrenbestez, bosoi terminoaren definizio zabalagoa eman behar genuke: Bose-Einstein estatistika jarraitzen duten partikulak dira, spin osoa dute, eta ez dute Pauliren esklusio-printzipioa betetzen.

Oinarrizko partikulen eredu estandarra. Lehen hiru zutabeetan, fermioiak daude, familiatan antolatuta. Eskuineko zutabean, gauge bosoiak. Irudian ez da ageri eredu estandarrak aurreikusten duen Higgs bosoia (2012ko uztailean aurkitua). Karga elektrikoak protoiaren karga unitatetzat harturik daude adierazita; spinak, h/2π unitatetan. Masak GeV/c2unitatetan adierazita daude; partikulen masen iturria: C. Amsler et al. (Particle Data Group), PLB667, 1 (2008) and 2009 partial update for the 2010 edition (URL: http://pdg.lbl.gov)

Eredu estandarraren garapena

Eredu estandarra, gaur egun ezagutzen dugun eran, 1970eko hamarkadan gorpuztu zen batez ere, eta askok aitortzen dute 1980rako hartua zuela gaur egun duen forma. Esan liteke oinarrizko partikulen gaur egungo eredu estandarreraino daraman bideak naturaren oinarrizko osaeraz eta izaeraz gizakiak galderak egiten eta teoriak garatzen hasi ziren garaian duela hasiera. Nolanahi ere, hemen atomo-eredu modernoaren oinarriak sendotu zirenetik aurrera helduko diogu gaiari. Lehenik, garai horretako egoera labur azalduko dugu.

XX. mendeko lehen herenaren amaierako egoera

Materiaren osagai diskretutzat proposatu zen lehen ideia atomoarena izan zen. Urte askoan, atomoa materia-unitate txikiena zela uste izan zen, harik eta elektroiaren aurkikuntzak (1897) atomoa zatiezina ez zela agerian utzi zuen arte (elektroi). Erradioaktibitateak ere atomo astun batzuk ez-egonkorrak zirela erakutsi zuen, zatigarriak beraz. Garai bertsuan, efektu fotoelektrikoa azaltzeko, argiak partikula-izaera ere bazuela postulatu zen, eta fotoi izeneko partikularen existentzia proposatu (fotoi). Protoia (1919) eta, aurrerago, neutroia aurkitu ziren (1932), atomo-nukleoa osatzen duten partikulak hain zuzen ere (neutroi; protoi). Materiaren osaeraren eta naturako indarren zein energiaren izaeraren teoria eta eredu berriak garatuko ziren hurrengo hamarkadetan (atomo; erlatibitate; mekanika kuantiko).

Horrenbestez, XX. mendearen lehen herenaren amaieran, honelakoa zen zientziak materiaren egitura mikroskopioaz zuen irudia: protoiz eta neutroiz osatutako nukleoa, eta horren inguruko elektroiak (atomo). Gainera, fotoi delako partikula dugu, erradiazio elektromagnetikoaren kuantua.

Panorama horren osagarri, naturako indar edo interakzioak aipatu behar dira. Lehenik, interakzio grabitatorioa edo grabitazio-indarra: zientziak ezagututako lehen indarra, masa duten partikulen artean gertatzen dena (erlatibitate; grabitazio). Bestetik, indar elektromagnetikoa, karga elektrikoa duten partikulen artean gertatzen dena (elektromagnetismo). Indar hori da, esaterako, nukleoa eta elektroiak “lotzen” dituena. Azkenik, aurkitu edo "sumatu" berriak ziren bi indar: a) interakzio bortitza edo indar nuklearra, protoiak eta neutroiak atomoaren nukleoan elkarri atxikirik edukitzen dituena; eta b) interakzio ahula, lehen aldiz prozesu erradioaktibo batzuetan detektatu zena.

Lehen bi indarrak "ezagunak" ziren, nolabait, eta bazeuden fisika klasikoaren alorreko bi teoria horiek esplikatzeko, Newtonen grabitazio unibertsala eta Maxwellen elektromagnetismoa. Bazirudien desafio bakarrak zirela protoiak nukleoan elkarri atxikirik egonarazten zituen indarraren, indar nuklearraren, esplikazioa, eta beta desintegrazioarekin lotuta egon behar bide zuen indarrarena, interakzio ahula delakoarena. Baina laster ikusiko zen partikulen mundua hori bainoa konplexuagoa zela. Gainera, interakzioen teorietan ez zegoen fisika modernoaren bi teoria handien ukiturik: ez erlatibitatearena ez mekanika kuantikoarena.

Partikula berrien aurkikuntza

Fisikariek materia ikertzeko energia handiagoak erabili ahala, eta bereziki partikula-azeleragailuak erabiltzen hasi zirenetik, partikula subatomiko asko aurkitu zituzten.

Partikula batzuk teorikoki iragarrita zeuden. Esaterako, Wolfgang Paulik neutrinoaren existentzia aurreikusi zuen 1930ean, beta desintegrazio erradioaktiboa esplikatzeko. Baina neutrinoa oso zaila da hautematen, eta 1956 arte ez zen esperimentalki baieztatu (Reines eta Cowan).

Aurkitu aurretik iragarritako beste partikula bat lehen antipartikula izan zen. Antipartikula bat partikula baten masa bera baina karga eta beste ezaugarriak kontrakoak dituen partikula da. Lehen antipartikularen existentzia Paul Diracek teorizatu zuen, bere izena daraman elektroiaren ekuazio famatuaren ondorio gisa (1928). Elektroiaren antipartikula zen, positroia, gerora 1932an Carl. D. Andersonek aurkitu zuena (antimateria). Geroztik, hainbat antipartikula aurkitu dira.

Baina beste partikula asko ez ziren teorikoki aurreikusiak. 1937an, muoia aurkitu zen, elektroiaren antzeko partikula, baina 200 bat aldiz astunagoa. Geroxeago, 1940ko hamarkadan, pioiak (π mesoiak) eta kaoiak (K mesoiak) aurkitu ziren. 1950eko hamarkadan, benetako "eztanda" gertatu zen partikulen aurkikuntzan, hainbeste, non 1970eko hamarkadaren hasieran oinarrizko partikulen "zooa" aipatzen baitzen. Egoera hori etsipengarria zen, teoria fisiko bati eskatu ohi zaion sinpletasun eta oinarrizkotasunetik aski urruti baitzegoen.

Partikula-ugaritasun horretan, eta horien interakzioen azterketak eraginda, lehen zantzu batzuk sortu ziren horietako batzuk "oinarrizkoak" ez zirela pentsarazten zutenak. Protoiak, neutroiak, mesoiak eta horien talketan sortzen ziren hainbat "erresonantzia" ziren horrelakoak (gerora hadroi izendatuko zirenak). Lehen zantzu moduko batzuk agertu ziren Robert Hofstadterrek 1950eko hamarkadan nukleoiak elektroi-sortaz bonbardatuz egindako esperimentu batzuetan, baina, horrez gain, direlako partikulen arteko interakzio elektromagnetikoak eta ahulak esplikatzeko ere, beharrezkoa zen barne-osaera zutela onartzea. 1964an, Murray Gell-Mannek eta George Zweigek, zein bere aldetik, aipatu partikulak beste partikula txikiagoz osatuak zirela proposatu zuten. Partikula horiei quark izena eman zitzaien (quark). Geroxeago, 1969an, Jerome I. Friedman, Henry W. Kendall eta Richard E. Taylorrek nukleoiak Hofstadterrek baino energia handiagoko elektroi-sortaz bonbardatuz egindako esperimentuek (deep inelastic scattering) are zantzu ageriagoak lortu zituzten. Quarken existentzia esperimentalki baieztatzea lan nekeza izan da, baina gaur egun eredu estandarreko sei quarken existentzia frogatuta dago.

Partikula-multzo handi horretan oinarrizkoak eta konposatuak zein diren, zein interakziotan hartzen duten parte eta nola, haien propietateak (masa, spina…) edo agertzen diren partikula-kopuruak esplikatzea, ordea, ezinbestekoa da materiaren osaera eta oinarrizko interakzioen izaera ulertuko bada. Beharrezkoa da, beraz, oinarrizko interakzioen teoriak garatzea eta egiaztatzea.

Interakzio elektromagnetikoa: elektrodinamika kuantikoa (QED)

Elektroiaren eta eremu elektromagnetikoaren arteko interakzioen teoria modernoa elektrodinamika kuantikoa da (QED). Teoriaren lehen eragileak Heisenberg, Pauli eta Dirac izan ziren, 1930eko hamarkadaren bigarren erdian. Bereziki, Diracen elektroiaren ekuazioari aitortu ohi zaio bide-urratzaile izatea. Ekuazio horrek elektroiaren eta eremu elektromagnetikoaren arteko interakzioa deskribatzen du, eta erlatibitate bereziarekin ados dagoen lehen ekuazio mekaniko-kuantikoa da. Elektroiaren propietate batzuk zehaztasun handiz kalkulatu zituen (batez ere, momentu angeluarra). Beste lorpen nabarmenetakoa izan zen elektroiaren antipartikula, positroia, iragartzea.

Diracen ekuazioaren arazoetako bat zen ez zuela kontuan hartzen elektroiek erradiazioa xurgatu eta igorri egiten dutela. Hori ez ezik, elektroiak fotoi bat igor dezake eta berehala xurgatu (ziurgabetasunaren printzipioaren arabera). Hori kontuan hartu nahi izan zenean, ordea, infinituen arazo ezaguna agertu zen ekuazioen soluzioetan. Arazo horrek teoriaren garapena eragotzi zuen urte luzez.

Mekanika kuantikoa eta erlatibitatea bateragarri bihurtzeko helburuaren hurrengo emaitza eremu-teoria kuantikoa izan zen; ikuspegi horretan, oinarrizko objektuak ez dira partikulak, eremuak baizik. Partikulen kontzeptua sortzen da eremuak modu kuantikoan eta erlatibistan tratatzean: eremu horien eszitazio kuantifikatuak dira partikulak. Teoria honi elektrodinamika kuantikoa deritzo. Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger, eta Sin-Itiro Tomonagak garatu zuten 1940ko hamarkadaren amaieran. Bi partikula kargadunen arteko interakzioa Feynmanen diagrama izenekoen bidez irudikatzen da (gainera, diagrama horiek asko sinplifikatzen dute prozesuko aldagaien kalkulua).

Bi elektroiren arteko interakzio elektromagnetikoa irudikatzen duen Feynmanen diagrama. Interakzioa fotoi birtual baten bidez transmititzen da

Nolanahi ere, lehen aipatutako infinituen arazoa konpondu gabe, teoriak ezin zuen aurrera egin. Konponbidea Hendrik Kramersen eta Hans Betheren lanen ondorioz etorri zen. Eremu-ekuazioetan elektroi "biluziaren" karga eta masaren balioak (teorikoki kalkulatuak) erabili beharrean esperimentalki behatutako balioak sartuz gero, infinituak desagertu egiten ziren. Prozedura horri birnormalizazio deritzo.

Heldutasunera helduta, elektrodinamika kuantikoak inoiz teoria batek izan duen kalkulu-zehaztasun handiena lortu du.  Gainera, QED teoriaren egitura matematikoak baliagarriak izango ziren gainerako interakzioen teoriak garatzerakoan .

Interakzio ahularen eta elektromagnetikoaren bateratzea: teoria elektroahula

Interakzio ahularen lehen zantzuak beta desintegrazioak ekarri zituen. Prozesu horretan, neutroi bat protoi bihurtzen da eta aldi berean elektroi bat eta beste partikula bat, gaur egun antineutrino dela dakiguna, sortzen dira. Partikulen identitatea aldatzen duen interakzio bakarra da, eta, gero azalduko dugunez, berezitasun gehiago ere baditu.

Interakzio ahularen lehen teoria Enrico Fermik proposatu zuen, 1933an. Fermiren teorian, interakzio ahulak, gainerako interakzioek ez bezala, ez zuen urruneko eraginik, neutroia desintegratzeko prozesua espazioko puntu zehatz batean gertatzen baitzen. 1957rako, Fermiren teoriak bere azken forma hartu zuen. Teoriak zehaztasun handiz deskribatzen zituen hainbat fenomeno, baina arazo handienak teorikoak ziren. Besteak beste, ez zen birnormalizagarria.

Gaur egun onartua den teoria ez zen 1970eko hamarkadara arte biribilduko, eta ikertzaile askok izan zuten zerikusia horren garapenean, nahiz eta maiz Glashow-Salam-Weinberg eredua aipatu ohi den interakzio elektroahularen teoria izendatzeko. Bidean, bi ikerketa garrantzitsu, aipatu besterik egingo ez ditugunak: batetik, 1954ean Chen Ning Yang eta Robert Millsek simetrien arloan egindako lan teorikoa (gauge transformazioak); bestetik, 1956an Tsung Dao Leek eta Yangek berak aurkitu zuten interakzio ahulean paritatea ez dela kontserbatzen.

Hauek dira teoriaren funtsezko ideiak. Lehenik, interakzio ahularen eramaileak W izeneko bi bosoi hipotetiko direla proposatu zen, bata karga positiboduna, W+, eta bestea negatiboduna, W–; geroago, kargarik gabeko Z0 bosoi gehitu zen (Glashow, 1961). Interakzio ahula oso distantzia txikietan baino nabari ez denez, partikula horiek masa eduki behar dute (interakzioa zenbat eta distantzia handiagoetan gertatzen den, hainbat eta masa txikiagoa partikula bideratzaileak). Baina lehendik Yang eta Millsek erakutsi zuten hori ezinezkoa dela, interakzioa elektromagnetismoarena bezalako simetria lokal baten ondorioa bada. Hau da, horrelako teoria batean bosoi horiek masarik gabeak behar dute izan. Arazo hori konpontzeko, Glashow, Weinberg eta Salamen ekarpena izan zen (1963-1967) interakzio ahula berezko simetria baten hausturaren ondorioa dela proposatzea. Halako energia batetik gora (~100 GeV), interakzio ahula eta elektromagnetikoa bateratuta leudeke, eta teoriak masarik gabeko lau fotoi aurreikusten ditu. Baina energia horretatik behera, berezko simetria-haustura gertatzen da, eta bi interakzioak "bereizi" egiten dira. Nola gertatzen da hori? Eskema horretako ideia giltzarria da hutsa Higgsen eremua izenekoaz beteta dagoela. Eremu horren berezitasun bat da haren energia minimoa dela intentsitate jakin bat duenean, eta ez intentsitatea zero denean. Higgsen eremuaren balioaren ondorioz hausten da simetria; orduan, eremu horrek W+, W– eta Z0 bosoiei "eragiten" die eta eragin horren ondorioa litzateke horien masa (hori ulertarazteko, esan ohi da Higgsen eremuak partikulei bertatik higitzeko "erresistentzia" moduko zerbait egiten diela, eta ezaugarri hori dela, partikularen ikuspegitik begiratuta, guk masatzat ezagutzen duguna). Interakzio elektromagnetikoa “hautsi gabe” geratzen da, Higgsen eremuak ez dio eragiten, eta horregatik ez du masarik fotoiak. Higgsen eremuaren kuantua Higgs bosoia da; hori da, hain zuzen ere, eredu estandarrak aurreikusitako partikuletatik esperimentalki egiaztatu den azkena. 2012ko uztailean, CERNen Genevako LHC azeleragailuan egindako esperimentuek Higgs bosoiaren lehen ebidentzia esperimental fidagarriak lortu zituen.

Neutroiaren β – desintegrazioaren Feynmannen diagrama: neutroiaren d quark bat u quark bihurtzen da (beraz, protoi bat sortzen da), elektroi bat eta elektroi-antineutrino bat eratzen dira; W – bosoi bat da interakzioaren eramailea

Hasieran, beste eremu-teoria kuantikoetan ageri denaren antzeko infinituen arazoak teoria onartzea geldiarazi zuen, baina 1971n Martinus Veltman eta Gerard ‘t Hooft holandarrek erakutsi zuten berezko simetria-hausturan oinarritutako teoriak, eta zehazki teoria elektroahula, birnormalizagarriak direla.

Teoriaren kontsistentzia bermatu ondoren, aurresandako partikulen existentzia baieztatu beharra zegoen. 1982an, W eta Z bosoiak aurkitu ziren Genevako CERNen, eta handik gutxira Fermilabek ere detektatu zituen. Aurkitutako masen balioak aski ados zeuden teorikoki aurreikusitakoekin.

Horiek guztiek teoria elektroahularen arrakasta eta onarpena ekarri zuten berekin. Baina, esan dugunez, urte luzetan izan da oraindik teoriak aurresan duen baina aurkitzen ez zen partikula bat, detektatu gabeko bakarra izateagatik giltzarria bihurtu zena ereduaren etorkizunerako: Higgs bosoia. Gainera, partikula horrek masaren azalpenean duen garrantzia ez dagokie soilik interakzio ahuleko bosoiei. 2012an Higgs bosoia detektatu izanak, beraz, oinarrizko partikulen eredu estandarra sendotu egin du.

Interakzio bortitza: kromodinamika kuantikoa (QCD)

Atomoaren nukleoa protoiez eta neutroiez osatua dela baieztatu zenetik, argi ikusi zen indar berriren bat behar zela protoiak nukleoan elkarri atxikirik egonarazteko, indar elektromagnetikoa baino intentsitate handiagokoa behar zuena inondik ere (protoiak elkarrengandik urrunaraziko baitzituen bestela indar elektromagnetikoak). Gainera, indarraren helmenak oso laburra izan behar zuen, hau da, distantziarekin berehala moteldu behar zuen (milimetroaren bilioirena). Indar nuklearra edo indar nuklear bortitza deitu zitzaion.

Indar hori esplikatzeko lehen proposamena Hideki Yukawak egin zuen, 1935ean. Iragarri zuen elektroia baino 300 bat aldiz astunagoa litzatekeen partikula bat dela indar nuklearraren eramailea. 1947an, izpi kosmikoetan pioi edo pi mesoi izena eman zitzaion partikula aurkitu zenean (Cecil Powell), Yukawaren ideiak indar hartu zuen. Esan liteke Yukawaren eredu hori ez dela berez “faltsua”; arazoa da ez dela ”oinarrizkoa”. Izan ere, dagoeneko azaldu dugu protoiak, neutroiak eta beste hainbat partikulak barne-osaera dutela, eta quarkak direla osagaiak (quark). Beraz, gaur egun interakzio bortitza apatzen denean, quarken artekoaz ari garela jakin behar dugu; protoien eta neutroien artekoari, indar nuklear edo hondar-interakzio bortitz esan ohi zaio.

Teoria bat behar zen, ordea, interakzio bortitzaren izaera eta partikulen propietateak esplikatzeko. Teoria hori 1973an burutu zen, eta kromodinamika kuantikoa du izena (QCD). Ikertzaile eta fisikari teoriko askoren lanen emaitza da (bidean, hainbat eredu eta teoria plazaratu ziren, gerora erratuak izan direnak, azken unean teoria zuzena lortu arte).

Hauek dira QCDren oinarrizko ideiak. Lehenik, quarkek, karga elektrikoaz gain, kolore-karga izeneko propietatea dute (ohiko kolorearekin zerikusirik ez duena, jakina). Hiru kolore-mota daude: gorria, berdea eta urdina. Quarken arteko interakzioan, gluoi izeneko bosoiak trukatzen dira (zortzi mota daude). Quarkak hadroietan konfinaturik daude, halako konbinazioetan non koloreen batura "zuria" baita. Barioiak hiru quarkez osatuak dira: esaterako, protoia uud quark-konbinazioa da, baina hiru quark horiek kolore desberdina behar dute izan (gorria + berdea + urdina = zuria; izan ere, kolore ezaugarriaren bidez lortzen da Pauliren esklusio-printzipioa betetzea); orobat mesoiak (antiquarkek "antikolorea" dute). Baina nola esplikatu konfinamendua, hau da, zergatik ezin dira quarkak isolaturik behatu? Hori izan zen kromodinamika kuantikoak gainditu beharreko azken langa. Erantzuna askatasun asintotikoa izeneko propietatea da (Hugh David Politzer, David Gross eta Frank Wilczek, 1973; dena den, Gerard 't Hooftek antzeko ideia iradoki zuen 1972an). Distantzia txikiagotu ahala (hau da, energia handitu ahala), quarken arteko interakzio bortitza motelduz doa eta zerorantz jotzen du; energia batetik aurrera, beregain lirateke, baina elkarrengandik urrundu ahala, interakzioaren intentsitatea handituz doa. Malguki batez lotutako bi bolaren adibidea aipatu ohi da ideia hori ulertarazteko. Bolak urruntzeko, indarra egin behar da; indar handiagoa eginez gero, gerta daiteke malgukia etetea (quarkak bereiztea), baina orduan antiquark bat berehala lotzen zaio quark askeari.

Eredu estandarraren mugak eta arazoak

Esan bezala, badira zenbait arrazoi eredu estandarra “azken teoria” ez dela pentsatzeko. Hain zuzen ere, eredu estandarrak muga batzuk ditu, eta, bestetik, zenbait arazo konpondu gabe daude, eta gaur egun lortu dena ez da gogobetegarria:

• Ez du interakzio grabitatorioa integratzen. Grabitazioa eremu-teoria kuantiko gisa garatzeko zailtasunak ezin gaindituzkoak izan dira gaur arte, eta egindako saio teorikoek ez dute arrakastarik izan (grabitazio).

• Interakzio bortitza ereduaren barnean badago ere, interakzio elektromagnetikoa eta ahula ez bezala ageri da, eta ez modu bateratuan (ikus, aurrerago, bateratze handiko teorien atala).

• Interakzio elektromagnetikoa eta ahula eremu-teoria bateratuan deskribatzen badira ere, ez dago esplikazio erabat zehatzik bi interakzioen arteko desberdintasunen jatorrirako.

• Ereduan dauden parametro batzuk teoriatik independenteak dira. Esaterako, 12 partikulen masen balioak esperimentalak dira. Oinarrizko teoria batentzat, ezin alboratuzko arazoa da hori.

• Eredu estandarrak ez du ezer esaten materia ilunaz. Dagoeneko aski zantzu eta ebidentzia bildu dira unibertsoan ohiko materia eta energiaz gain, oraindik ezagutzen ez dugun materia-mota edo -motak daudela (materia ilun).

• Hierarkiaren arazoa: Plancken energiaren eskala eta Higgs bosoiaren masa teorikoari dagokion energiaren eskala oso desberdinak izatea. Plancken energia grabitazioan eragin kuantikoak nabaritzen hasiko liratekeen energia da, eta 100 bilioi aldiz handiagoa da Higgs bosoiari dagokion energia baino. Horrek simetrietan ere desberdintasun handiak egon beharko dutela iradokitzen du. Desberdintasun handi hori esplikatzea fisika teorikoaren arazo zailenetakoa da, eta eredu estandarretik haraindiko ereduak proposatzeko eragingarri handienetakoa.

Eredu estandarretik harantz joateko saioak

Eredu estandarra “azken teoria” ez dela pentsatuta, fisikariak ahaleginetan ari dira azken hogeita hamar urtetan esplikatze-ahalmen handiagoa duen eta oinarrizkoagoa den teoria bat eratzeko. Era askotako ideiak eta ereduak garatu dira; labur-labur, hauek dira nagusiak:

• Bateratze handiko teoriak. Eredu estandarrean kontsideraturik dauden hiru interakzioak (elektromagnetikoa, ahula eta bortitza) eremu-teoria kuantiko bakarrean bateratzeko ahaleginak bateratze handiko teoriak izenaz dira ezagunak (edo GUT, ingelesezko Grand Unifying Theories delakotik). Teoria horiek 1970eko hamarkadan hasi ziren garatzen. Eredu estandarraren gabezia batzuen tratamendu egokia lortu zuten, eta aurresan nabarmenen artean, protoiaren desintegrazioa da aipagarriena (desintegrazio-periodoa: 1029 eta 1030 urte bitartean). Hala ere, 1980ko hamarkadaren erdialderako, indarra galdu zuten. Batetik, protoiaren desintegrazioa egiaztatzeko saio guztiek huts egin dute (segurua, gutxienez, 1033 bizitza duela). Bestetik, teoriek interakzioen intentsitateetarako aurreikusitako balioak ez dira espero bezain zehatzak.

• Supersimetria. Hierarkiaren arazoari irtenbidea eman nahian, supersimetriaren teoriak proposatzen du eredu estandarraren simetrien gainetik badela beste bat, spin desberdineko partikulak erlazionatzen dituena. Horren arabera, fermioi bakoitzari bosoi berri bat legokioke, ezaugarri berberak lituzkeena, baina 0 spinekoa. Teoria hauek, beraz, materia-partikulak eta indarra garraiatzen duten partikulak bateratu nahi dituzte. Supersimetriak zenbait arazo konpondu ditu. Esaterako, hierarkiaren arazoari aski egoki erantzuten zaio, baina arazo batzuk daude: batetik, supersimetriak “lagun supersimetrikoak” izenaz ezagutzen diren partikulak iragartzen ditu, eta ez dira oraino detektatu. Teoriak egokitzen joan dira, partikula horiei detekzio esperimentala lortu ez izana justifikatzeko adinako masa esleituz. LHCk argi lezakeen auzia da hori. Bestalde, eredu estandarraren beste arazo batzuk bere horretan uzten ditu (partikula-familien eta masen esplikazioa, Higgsen mekanismoa, grabitazioa...).

• Soken eta supersoken teoriak. Soken teoriak 1960ko hamarkadaren amaieran sortu ziren, Gabriel Venezianoren eskutik, interakzio bortitza azaltzeko, baina hamabost bat urtez erdi ahaztuta egon ondoren, zientzialari batzuek berriz ere heldu zieten, ikusi zutenean grabitazio kuantikoa antolatzeko aukera eman zezaketela (John Schawrz eta Michael Green, 1984). Soken teorietan, partikulak ez dira puntualak, espazio jarraituan diren halako "urradura" dimentsiobakarrak baizik. Ezagutzen ditugun oinarrizko partikulak, nolabait esateko, soken bibrazio-modu desberdinak lirateke. Soken teoriek, kontsistenteak izan daitezen, hamar dimentsio hartu behar dituzte kontuan gutxienez. Bestetik, ezagutzen diren partikula guztiak kontsideratu ahal izateko, teoriek supersimetriaren baldintza bete behar dute (supersoken teoria deritze horrelakoei). Horrelako teoriek interes handia sorrarazi zuten, eta fisikari teoriko askok jardun dute arlo honetan. Dena den, teoria biribila izatetik urruti dago oraindik, baina ez da hori beharbada arazo larriena. Egotzi zaien eragozpen handiena da ez direla faltsugarriak, hau da, ez dutela esperimentalki baiezta edo ezezta daitekeen iragarpenik egiten.