Butlletí RECERCAT «L’electrodinàmica quàntica sempre té un paper en la nostra recerca sobre els límits del model estàndard»

Richard Feynman (1918-1988) és un dels pares de l’electrodinàmica quàntica (QED, per la forma en anglès quantum electrodynamics), raó per la qual va rebre el Premi Nobel de Física l’any 1965, juntament amb els físics Julian Schwinger i Sin-itiro Tomonaga. A diferència dels altres dos, i també dels físics en general, Feynman va adquirir fama més enllà dels cercles de la física teòrica per la seva enorme personalitat, reflectida a través dels seus llibres autobiogràfics, tan divertits que van tenir molta difusió, i també per la seva visió científica anticipada, de manera que és considerat un dels precursors intel·lectuals de la nanotecnologia i de la computació quàntica.

Si alguna cosa podem destacar de Feynman és la seva inesgotable curiositat per la natura i la seva visió de com, contràriament al que de vegades es pensa en el camp de les humanitats, el coneixement científic afegeix valoracions estètiques noves i poderoses a l’objecte examinat. Vegeu el que diu d’una flor: Science knowledge only adds to the excitement, the mystery and the awe of a flower. It only adds; I don’t understand how it subtracts. 

De les tres versions de la QED, la teoria que descriu la interacció de les partícules carregades amb els fotons, que hi havia els anys quaranta del segle passat, la de Feynman era la més pictòrica. Basada en els seus famosos diagrames, que representen la propagació simultània de partícules i antipartícules, tant reals com virtuals, permet construir una amplitud, el mòdul al quadrat de la qual ens dona la probabilitat que un determinat procés tingui lloc. La formulació de Feynman era manifestament relativista, cosa que va ser essencial per resoldre el problema dels infinits que hi apareixien i demostrar que es podien absorbir en redefinicions de la càrrega elèctrica, de les masses de les partícules i dels camps que les descriuen. La QED va ser el primer exemple d’una teoria que combina consistentment la relativitat especial i la mecànica quàntica, la primera teoria quàntica de camps. Els èxits van arribar de seguida: l’explicació del moment magnètic anòmal de l’electró i del desplaçament de Lamb, que no es podien entendre a partir de l’equació de Dirac.

Actualment la QED està englobada dins del model estàndard, que incorpora també les interaccions febles i fortes, de fet, mitjançant teories de galga inspirades en la mateixa QED. Els càlculs actuals de QED pura queden restringits a observables de baixes energies (moments magnètics anòmals, espectroscòpia atòmica, etc.). Típicament involucren centenars de diagrames de Feynman i s’atenyen precisions d’una part per bilió (10^-12).

Les diverses línies de recerca del grup de fenomenologia de partícules elementals de la Universitat de Barcelona (UB) estan encaminades a explorar els límits del model estàndard, ja sigui mitjançant càlculs de precisió dins d’aquest model o ampliant-lo amb noves partícules per tal d’explicar, per exemple, la matèria fosca, que hi és absent. La QED, però, sempre acaba tenint-hi un paper. Per exemple, per al descobriment del Higgs, la detecció de la desintegració d’aquesta partícula en dos fotons va ser crucial. Per una altra banda, la possible desintegració de matèria fosca en dos fotons és el focus d’atenció de les anomenades cerques indirectes d’aquesta matèria. Finalment, l’analogia dels estats lligats de QED, àtoms i molècules, amb els hadrons formats per quarks pesants (charm i bottom) ha estat, i està sent, extraordinàriament útil per entendre molts aspectes d’aquests darrers.

Joan Soto
Josep Maria Pons

Departament de Física Quàntica i Astrofísica
Facultat de Física - Universitat de Barcelona