Oinarrizko elkarrekintza

Fisikan, oinarrizko elkarrekintza oinarrizko partikulen artean gertatzen den elkarrekintza, interakzio edo indarra da. Gaur egun, fisikariek nahiago dute elkarrekintza terminoa erabiltzea, indarrak bosoien arteko interakzio gisa ulertzen baitituzte.

Lau motatako oinarrizko elkarrekintzak ezagutzen dira naturan: grabitatorioa, elektromagnetikoa, nuklear bortitza eta nuklear ahula. Unibertsoan gauzatzen den edozein interakzio lau elkarrekintza horietakoa da. Dena den, elkarrekintza elektromagnetikoaren eta elkarrekintza nuklear ahularen arteko eremu-teoria bateratua proposatu da da, eta biak elkarrakzio elektroahulean bildu dira. Interakzio elektroahula eta bortitza eredu estandarra izenekoan kontsideratuta daude, baina ez da lortu elkarrekintza guztiak eremu-teoria bakarrean bateratzea. Halere, uste da Big Banga baino lehen elkarrekintza bakarra zegoela eta haren ostean lau elkarrekintza hauek sortu zirela. Gaur egungo teoriaren arabera, elkarrekintzak partikula bitartekarien bidez gertatzen dira, eta interakzioa mota bakoitzak bere partikula bitartekaria du.

Berriki bosgarren elkarrekintza bat aurkitu da: Higgs elkarrekintza. Dena den, oraindik informazio gehiegirik ez dugunez, artikulu honetako tauletan ez da beraren aipamenik egiten.

Ondoko taulan ondo ezagutzen diren lau oinarrizko elkarrekintzei informazio eskematikoa bildu da, bakoitza zein propietateri dagokion azalduz, eta, halaber, zein oinarrizko partikulatan eragiten duen, zein partikula bitartekari duen eta zein magnitude erlatibo duen ere azaltzen da.

LAU OINARRIZKO ELKARREKINTZAK
	Grabitatorioa	Elektromagnetikoa	Nuklear ahula	Nuklear bortitza
		Elektroahula		Oinarrizkoa	Hondar-elkarrekintza
Propietatea/elkarrekintza	Masa/energia	Zaporea	Karga elektrikoa	Kolore-karga	Nukleo atomikoak
Elkarrekintza jasaten duten partikulak	Guztiak	Quarkak, leptoiak	Karga elektrikodun partikulak	Quarkak, gluoiak	hadroiak
Partikula bitartekariak	Grabitoia (iradokia, baina detektatu gabea)	$W^{+}$, $W^{-}$, $Z^{0}$	$\gamma$ (fotoiak)	gluoiak	mesoiak
Magnitudea (quarken eskalan)	$10^{-41}$	$10^{-4}$	$1$	$10^{60}$	Ez da quarkekin aplikatzen
Magnitudea (protoien eskalan)	$10^{-36}$	$10^{-7}$	$1$	Ez da hadroiekin aplikatzen	$10^{2}$

Historia

Galileo Galilei (1564-1642)

Johannes Kepler (1571-1630)

Fisikaren historian zehar, ahalegin berezia egin da unibertsoa deskribatzeko balioko duten ahalik eta lege sinpleenak aurkitzeko. Bide horretan, XVII. mendearen lehen erdian, Galileo-k Lurraren grabitatearen deskripzio zehatza egin zuen, eta Kepler-ek (1571-1630) planeten higiduraren deskripzio geometrikoa azaldu zuen. Bi lorpen handi horien artean erlaziorik ez zegoela uste izan zen hasieran, baina Newton-ek (1642-1726) Philosophiæ naturalis principia mathematica liburuan biak batera deskribatu zituen 1678an, fenomeno berberaren ondorio gisa. Horrela definitu zuen materian eragiten duen lehenengo oinarrizko elkarrekintza ezaguna —elkarrekintza grabitatorioa—, esanez masadun gorputzen artekoa zela eta beraren balioa distantziaren karratuaren alderantziz proportzionala zela.

Charles Augustin de Coulomb (1736-1806)

Hurrengo mendeko bigarren partean, Coulomb-ek tortsio-balantza asmatu zuen 1777an, eta haren bidez bi karga elektrikoren arteko elkarrekintza aztertuz, elektrostatikaren lege kuantitatiboa aurkitu zuen 1785an. Horrela, elkarrekintza elektrikoaren balioa kalkulatu zuen, eta kasu honetan ere konturatuz ezen distantziara eragiten zuen elkarrekintza zela, eta beraren balioa distantziaren karratuaren alderantziz proportzionala zela, elkarrekintza grabitatorioa bezala. Halere, karga elektrikoak bi motatakoak izan zitezkeela kontuan hartzean, elkarrekintzaren ondoriozko indarra erakarlea edo aldarazlea izan zitekeela ikusi zuen.

Hans Christian Oersted (1777-1851)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Baina oraindik karga elektrikoekin loturiko beste fenomeno bat zegoen aztertu gabe, magnetismoarena alegia. Horretaz, 1813 Oersted-ek fenomeno elektromagnetikoak gerta zitezkeela aurresan zuen, eta 1820 esperimentu batean konturatu zen, kable eroale baten norabide paraleloan jarritako orratz imantatua desbideratu egiten zela kabletik korrontea pasatzean, era horretan frogatuz eroalearen inguruan eremu magnetikoa sortzen zela. Aurkikuntza horretan oinarriturik, Ampère-ren(1775-1836) eta Faraday-en (1791-1868) lanak abiatu ziren, eta XIX. mendearen erdialdean egindako hainbat esperimenturen ondoren, 1861ean Maxwell-en (1831-1879) elkarrekintza elektromagnetikoaren legeak finkatu zituen. Naturako bigarren oinarrizko elkarrekintza zehazturik eta definiturik garatu zen: elkarrekintza elektromagnetikoa.

Steven Weinberg (1933)

Ondoren, XX. mendeko lehen hamarkadetan fisika nuklearra garatzerekin batera, aurreko bi elkarrekintzez gain beste bi elkarrekintza aurkitu ziren, atomoen barneko oso distantzia txikietan eragiten zutenak: elkarrekintza nuklear bortitza eta elkarrekintza nuklear ahula. Geroago eredu estandarra garatu zen, eta bertan proposatu ziren elkarrekintza horien partikula eramaileak edo bitartekariak aurkitu ziren.

Hurrengo pausoa 1960an eman zen, Glashow-ek (1932-), Salam-ek (1926-1996) eta Weinberg-ek (1933-) postulatu zutenean elkarrekintza nuklear ahula elkarrekintza elektromagnetikoarekin bateratu zitezkeela, elkarrekintza elektroahula osatuz. Bi elkarrekintza horiek desberdinak dirudite tenperatura baxuetan, baina oso tenperatua altuetan, hala nola Big Bangari dagozkionetan bat bakarra lirateke. 

Gaur egun uste da agian lau elkarrekintzak bakarrean bateratu daitezkeela, baina oraindik ez da lortu batasun hori azalduko duen erabateko teoriarik.

Elkarrekintza grabitatorioa

Bi gorputzek elkarri egiten dizkioten erakartze-indar grabitatorioen norabide eta noranzkoak.

Edozein gorputzek masa edukitzeagatik beste gorputzekiko jasaten duen indar erakarlea da, gorputz guztiek jasaten dutena. Honela deskriba daiteke elkarrakzio hau bi gorputzen multzo isolatuaren kasua: lehenengo gorputzak ($m_{1}$) bigarren gorputzari ($m_{2}$) egiten dion indarra (${\boldsymbol {F}}_{21}$) eta bigarrenak lehenengoari egiten dion indarra (${\boldsymbol {F}}_{12}$) elkarren berdinak dira moduluz; gainera, indar horiek bi gorputzak lotzen dituen lerro zuzenaren norabidea dute eta elkarren aurkako noranzkoa, indarra beti baita erakarlea, alegia, bi gorputzak elkartzekoa.

Indar grabitatorioa lau elkarrekintzetako ahulena da, baina unibertsoko materia guztiari eragiten dio. Elkarrekintza honen eragina distantzia infinituraino iristen da —hau da, unibertso osoa hartzen du— eta izugarri handia izan daiteke masa handien artean gertatzen denean, hala nola zeruko astro, izar edo galaxien artean. Indar hori da Ilargia Lurraren inguruan ibiltzera behartzen duena, edota Lurra Eguzkiaren inguruan.

Newtonek argitaratu zuen grabitazioaren izaera zehazteko lehenengo teoria zientifikoa, orain dela hirurehun urte gutxi gorabehera. Bere teorian Newtonek ateratako ondorioak esperimentuetan oinarrituta daude, eta naturaren izaera ulertzeko lehenengo hurbilketa da teoria hori, gure inguruko planeten higidurak oso zehazki azaltzen dituena. Newton konturatu zen masadun gorputz guztiak elkar erakartzen dutela, eta teorian adierazi zuen erakarpena masen proportzionala dela, baita masen arteko distantziaren karratuaren alderantziz proportzionala ere. Ondoko formulak zehazten du $r$ distantziara dauden $m_{1}$ eta $m_{2}$ masadun bi gorputzek jasaten dituzten bi indar erakarleen modulua (gorputz bakoitzak berea):

$$F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}},$$

non $G$ grabitazio unibertsalaren konstantearen balioa den, $6,67384(80)\times 10^{11}{\text{N m}}^{2}{\text{kg}}^{-2}$ hain zuzen, esperimentalki neurtua izan dena. Horixe da grabitazio unibertsalaren elkarrekintzaren balio numerikoa.

Albert Einstein (1879-1955)

Izatez, teoria hori gure inguruko errealitatea azaltzeko hurbilketa oso ona da, eta horixe da eguzki-sistemako higidurak deskribatzeko erabiltzen dena. Dena den, orain dela ehun urte bere erlatibitatearen teoria orokorra argitaratzean, Einstein-ek hobetu egin zuen hurbilketa hori, unibertsoaren egiturarako zehaztuz. Teoria hori askoz zehatzagoa eta orokorragoa da, eta zientzialari gehienek onartuta dago gaur egun. Horren arabera, grabitazio-indarra grabitoien bitartez sortzen dela uste da. Grabitoiek oraindik detektatu ez diren partikula hipotetiko batzuk dira, baina hala eta guztiz ere, grabitazio-indarraren bitartekariak direla uste da.

Grabitazio-indarra beste hiru elkarrekintzekin alderatuko dugu artikulu honen amaieran eta horretarako balio pare bat definituko ditugu: batetik, balio erlatiboa, zeinarekin indarraren ahalmena neurtuko dugun erreferentziatzat indar grabitatorioa harturik; bestetik, jokaera, zeinarekin indarraren balioak distantziaren arabera duen beherapena adieraziko dugun. Indar grabitatorio magnitude erlatiboa unitatea izango da, eta haren intentsitatea distantziaren karratuaren alderantziz proportzionala da ($1/r^{2}$).

Elkarrekintza elektromagnetikoa

Elkarrekintza elektromagnetikoak karga elektrikoa duten partikulek jasaten duten interakzioa da. Elkarrekintza hau atomoen eta molekulen arteko aldaketen eragile nagusia da. Indar grabitatorioa ez bezala, bi eratakoa izan daiteke, erakarlea edo aldaratzaile, kontuan izanik karga elektrikoa ere bi motatakoa dela (negatiboa eta positiboa); kasu bietan, elkarrekintza honek helmen infinitua du. Eta geroagoko taulan ikusiko dugunez, indar grabitatorioa baino askoz intentsoagoa da ($10^{36}$ aldiz bortitzagoa). Kasu honetako partikula bitartekaria argiaren izaerari lotuta dagoen fotoia da. Bi arlotan nabaritzen da elkarrekintza hau: indar elektrostatikoa eta indar magnetikoa.

Elkarrekintza elektrostatikoa

Historikoki kontsideraturik, lehenik geldi dauden karga elektrikoen arteko interakzioa aztertu zen, elkarrekintza elektrostatikoa alegia. Teoria elektrostatikoa Coulomb-ek 1785ean aurkitutako legean dago oinarrituta. Lege hau esperimentu estatikoetan eginiko neurketetan oinarritu zen. Saiakuntza haien emaitzak aztertuz Coulombek ondorioztatu zuenez, geldi dauden bi karga elektrikoren ($q_{1}$ eta $q_{2}$) artean sortzen den erakartze- edo aldaratze-indarraren modulua bi kargen balioen proportzionala da eta kargen arteko distantziaren karratuaren alderantziz proportzionala, eta norabidea, bi kargak lotzen dituen lerro zuzenarena. Hortaz, bi karga puntualek elkarri eragiten dizkioten bi indarren modulua hauxe da:

$$F=k_{\text{C}}{\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}},$$

non konstante elektrostatikoa den. Ikus daitekeenez, portaera hori lehenago indar grabitatorioaren kasuan ikusitakoaren mota berekoa da, adierazpen matematikoari dagokionez, eta kasu honetan ere elkarrekintzaren eragina infinituraino iristen da, baina bi berezitasun ditu: batetik, intentsitate oso handia du elkarrekintza grabitatorioarekin konparaturik, eta bestetik, indarren noranzkoa bi eratakoa izan daiteke, kargak erakartzekoa edo aldaratzekoa izan baitaiteke. Zehatzago esanda, karga elektrikoak zeinu berekoak badira, indarra aldaratzailea izango da; aurkako zeinukoak badira, ordea, erakarlea. Coulomben legean ageri den konstante elektrostatikoak honako balioa du espazio hutsean:

$$k_{\text{C}}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{}$$

non $\epsilon _{0}$ hutsaren permitibitate elektrikoa den.

Interakzio elektrostatikoa aztertzeko, eremu elektrikoa deritzon magnitudea definitu ohi da era honetan: puntu bateko eremu elektrikoa da puntu horretan legokeen karga positiboaren unitateak jasango lukeen indar elektrikoa. Eremu elektrikoa magnitude bektoriala da eta ${\boldsymbol {E}}$ letraz adierazten da. Eremu elektrikoak ${\boldsymbol {E}}$ balioa duen puntu batean $q$ balioko karga bat jartzean, karga horrek indar hau jasaten du:

$${\boldsymbol {F}}=q{\boldsymbol {E}}.$$

Gauzak horrela, Coulomben legea kontuan harturik, $Q$ kargak hutseko bere inguruan sorturiko eremu elektrikoaren balioa honakoa izango da:

$${\boldsymbol {F}}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {Q}{r^{2}}}{\boldsymbol {u}}_{r}.$$

Higitzen ari diren kargak eta eremu magnetikoak

Beste aldetik, higitzen ari diren karga elektrikoen kasua dugu. Horretarako, Ampere-k zirkuituetako korronte elektrikoen arteko elkarrekintza aztertu zuen hainbat esperimentutan, eta ondorio hauek atera zituen:

a) Karga positiboaren gaineko indar magnetikoa. b) Karga negatiboaren gaineko indar magnetikoa.

• Korronte elektrikoak eremu magnetikoa sortzen du bere inguruan. Eremu magnetikoa (${\boldsymbol {B}}$) magnitude bektoriala da eta indarra eragiten du higitzen ari diren partikula kargadunetan. Indar horrek balio hau du:
  $${\boldsymbol {F}}=q{\boldsymbol {v}}\times {\boldsymbol {B}}.$$

• Bestalde, korronte elektrikoa higitzen ari diren kargez osaturik dagoenez, eremu magnetikoak indarra sortzen du zirkuitu elektrikoetan; eta bi zirkuitutako korronte elektrikoen artean ere indarra sortzen da.

Ondorio horietan oinarritzen da motor elektrikoen funtzionamendua.

Elkarrekintza nuklear bortitza

Indar nuklear bortitzak elkartuta mantentzen du atomoen nukleoa. Nukleoa protoiek eta neutroiek osatzen dute, eta quarkez osatuta daude, quarkak elkarturik dauzkan elkarrekintza nuklear bortitzari esker. Elkarrekintza hau oso irismen laburrekoa da, nukleo barnekoa.

Elkarrekintza hau dagoenik eta intentsoena da (grabitatorioa baino $10^{38}$ aldiz intentsoagoa), baina irismen oso laburrekoa, nukleoak bilioiren bat milimetroko tamaina ($\thicksim 10^{-15}{\text{ m}}$) baitu. Elkarrekintza honen partikula bitartekaria gluoia da. Horixe da nukleo atomikoa hain txikia izatearen arrazoia. Naturan ez dago ehun protoi baino gehiago daukan nukleorik. Protoi gehiegi edukiz gero, nukleoa ez da egonkorra, eta desintegratu egiten da, nukleo txikiagotan zatituz.

Elkarrekintza nuklear ahula

Elkarrekintza ahula edo indar nuklear ahula desintegrazio erradioaktiboaren arduraduna da. Elkarrekintza hau $W$ eta $Z$ bosoiak lekuz aldatzean sortzen da. Indar honen efektu ezagunenak $\beta$ desintegrazioa da. Beta desintegrazioa nukleo atomikoaren barnean gertatzen da eta bi motatakoa izan daiteke:

• $\beta ^{-}$ desintegrazioan neutroi batetik protoi bat, elektroi bat eta antineutrino bat sortzen dira.
• $\beta ^{+}$ desintegrazioan protoi batetik neutroi bat, positroi bat eta neutrino bat sortzen dira.

Indar nuklear bortitzarekiko konparaketatik dator "ahul" adjektiboa, indar hau indar nuklear bortitza baino $10^{13}$ aldiz txikiagoa baita; gainera, irismena ere indar bortitzarena baino mila bider txikiagoa da ($10^{-18}{\text{ m}}$)  . Ikusten denez, Indar nuklear ahularen kasuan partikulen identitate-aldaketa bat gertatzen da, mota desberdineko oinarrizko partikulak sortzen baitira. Kasu honetako partikula bitartekariak W eta Z bosoiak dira.

Higgs elkarrekintza

Higgs elkarrekintza partikulen Eredu Estandarra osatzeko 1964an proposaturik oinarrizko partikula hipotetiko bati dagokio. Hainzuzen ere, urte hartan Peter Higgs-ek gaur egun Higgs-en mekanismoa deritzon modu bat proposatu zuen oinarrizko partikulen masaren jatorria esplikatu ahal izateko. Bere proposamenean, Higgs-en eremua postulatu zuen, zeinaren kuantua gaur egun Higgs bosoia izenez ezagutzen den, berari ohore eginez. Berak proposaturiko ereduaren arabera, Higgs bosoiak ez zuen spinik, ez karga elektrikorik, ezta kolore-kargarik ere; gainra, oso ezegonkorra zen eta berehala desintegratzen baitzen, batez besteko bizitza zeptosegundoen ordenakoa izanik ($10^{-21}{\text{ s}}$).

• 
  Peter Higgs.
• 
  PRL ponentziaren (1964) egileak Sakurai saria jasotzean. Ezkerretik eskuinera: Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout.

Berriki, 2012ko ekainaren 22an, CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) erakundeak mintegi bat iragarri zuen, urte horretarako behin-behinekoz ateratako ondorioak azaltzeko, eta, handik gutxira, hedabideetan zabaltzen hasi ziren iragarki garrantzitsu baten zurrumurruak, baina ez zegoen argi seinale indartsuagoa edo aurkikuntza formala zen. Handik gutxira, 2013ko martxoaren 14an, CERNek, 2012ko uztaileko aurkikuntzaren iragarkian zituen datuak baino bi aldiz gehiago zituela, ikusi zuen partikula berriak Higgs-en bosoi hipotetikoaren antz handia zuela. Hain zuzen, beste partikula batzuekin elkarrekintzan aritzeko moduek eta beraren propietate kuantikoek, Higgs-en bosoi bat dela adierazten dute.

Oinarrizko elkarrekintzen taula konparatiboa

Ondoko taulan lau oinarrizko elkarrekintzen ezaugarri batzuk ageri dira, intentsitate erlatiboak, partikula bitartekariak eta interakzioaren irismena aipatuz.

Elkarrekintza	Gaur egungo teoria	Partikula bitartekaria	Intentsitate erlatiboak	Distantziarako portaera	Irismena
grabitatorioa	Erlatibitate Orokorra (GR)	grabitoia (hipotetikoa)	$10^{0}=1$	${\frac {1}{r^{2}}}$	$\infty$
elektromagnetikoa	Elektrodinamika Kuantikoa (QED)	fotoia	$10^{36}$	${\frac {1}{r^{2}}}$	$\infty$
nuklear ahula	Teoria Elektroahula (EWT)	W eta Z bosoiak	$10^{25}$	${\frac {1}{r}}e^{{-m_{W,Z}}r}$	$10^{-18}{\text{ m}}$
nuklear bortitza	Kromodinamika Kuantikoa (QCD)	gluoia	$10^{38}$	$\thicksim r$	$10^{-15}{\text{ m}}$

Berriki eginiko esperimentu baten emaitzen ondorio harrigarriak

Fermilab laborategiko g–2 eraztun-imana, Brookhaven–2 esperimenturako diseinatu zena. Eraztunean eremu magnetiko oso uniformea ezartzeko aukera ematen du.

Fermilab izeneko laborategian eginiko esperimentu baten emaitzetan oinarriturik, berrehun bat zientzialari osatutako nazioarteko talde batek aztertu eta argitaratutako ondorioetan, badirudi ebidentzia garrantzitsuak aurkitu dituztela adierazteko ezen partikulen fisikaren eredu estandarra ez dela gai bertan behatutakoa esplikatu ahal izateko. Aitzitik, iradokitzen dute ezezaguna den elkarrekintza bat edo partikula berri baten existentzia aurreikus daitekeela.

Esperimentuan aztertutako partikula muoia da, elektroiaren antzekoa baina askoz astunagoa. Hain zuzen, "muon-g-2" izeneko esperimentuan zientzialariek ikusi dutenez, muoiek ez dute eredu estandarrean aurrikusitako eran jokatzen, eremu magnetiko oso intentso batean zehar azeleratzen direnean.

Eredu estandarra osatzeko bidean?

Ez da lehenengo aldia elkarrekintza berri bat edo partikula berriren bat existi daitekeen hipotesiaren aukera proposatzen dela. Izan ere, zientzialarien artean hainbatek uste dute Eredu Estandarraren teoria ez dela osoa; baina lehenengo aldia da, magnitude horretako esperimentu bat egiten dela ez-osotasun hori azalteko, eta maila horretako emaitzak lortu direla.

Oinarrizko partikulen fisika, badira oraindik hipotesi mailako aztergai ezezagun batzuk, hala nola “materia iluna” eta “bosgarren oinarrizko elkarrekintza”. Agian, esperimentu honek modu berriak irekiko ditu, hurrengo hamarkadetan arlo horietan ikerketa-bideak osatzeko.

Bibliografia

• Paul Davies (1986) The Forces of Nature, 2nd ed. Cambridge Univ. Press. ISBN-13: 978-0521313926
• Richard Feynman (1967) The Character of Physical Law. MIT Press. ISBN 0-262-56003-8
• Schumm, Bruce A. (2004) Deep Down Things. Johns Hopkins University Press. ISBN13 9780801879715
• Steven Weinberg (1993) The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe. Basic Books. ISBN 0-465-02437-8
• Steven Weinberg (1994) Dreams of a Final Theory. Vintage Books. ISBN 0-679-74408-8
• J.R. Etxebarria (1994) Teoria fisikoen oinarriak. Udako Euskal Unibertsitatea (UEU) ISBN: 84-86967-57-0

Ikus gainera

• Indarra
• Eredu estandarra
• Grabitoia
• Higgs bosoia
• Energia iluna
• Korden teoria
• Elkarrekintza nuklear ahula
• Elkarrekintza nuklear bortitza

Kanpo estekak

• Datuak: Q104934
• Multimedia: Fundamental forces / Q104934