Τι σημαίνει κανένα νέο σωματίδιο για τη φυσική

Οι φυσικοί στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στην Ευρώπη έχουν εξερευνήσει τις ιδιότητες της φύσης σε υψηλότερες ενέργειες από ποτέ, και έχουν βρει κάτι βαθύ:τίποτα καινούργιο.

Είναι ίσως το μόνο πράγμα που κανείς δεν είχε προβλέψει πριν από 30 χρόνια, όταν σχεδιάστηκε για πρώτη φορά το έργο.

Το περιβόητο «διφωτονικό χτύπημα» που προέκυψε σε γραφήματα δεδομένων τον Δεκέμβριο εξαφανίστηκε, υποδεικνύοντας ότι επρόκειτο για μια φευγαλέα στατιστική διακύμανση παρά για ένα επαναστατικό νέο θεμελιώδες σωματίδιο. Και στην πραγματικότητα, οι συγκρούσεις της μηχανής δεν έχουν δημιουργήσει μέχρι στιγμής κανένα σωματίδιο πέρα ​​από αυτά που καταγράφονται στο μακροχρόνιο αλλά ατελές «Κανονικό μοντέλο» της σωματιδιακής φυσικής. Στα συντρίμμια της σύγκρουσης, οι φυσικοί δεν βρήκαν κανένα σωματίδιο που θα μπορούσε να περιλαμβάνει σκοτεινή ύλη, κανένα αδέρφια ή ξαδέλφια του μποζονίου Higgs, κανένα σημάδι επιπλέον διαστάσεων, κανένα λεπτοκουάρκ - και πάνω απ 'όλα, κανένα από τα απελπισμένα σωματίδια υπερσυμμετρίας που θα στρογγυλοποιούσαν τις εξισώσεις και ικανοποιούν τη «φυσικότητα», μια βαθιά αρχή σχετικά με το πώς πρέπει να λειτουργούν οι νόμοι της φύσης.

«Είναι εντυπωσιακό το γεγονός ότι σκεφτόμαστε αυτά τα πράγματα για 30 χρόνια και δεν έχουμε κάνει ούτε μία σωστή πρόβλεψη που έχουν δει», δήλωσε η Nima Arkani-Hamed, καθηγήτρια φυσικής στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον, Νιου Τζέρσεϊ. P>

Τα νέα προέκυψαν στο Διεθνές Συνέδριο για τη Φυσική Υψηλής Ενέργειας στο Σικάγο τις τελευταίες ημέρες σε παρουσιάσεις από τα πειράματα ATLAS και CMS, των οποίων οι ανιχνευτές που μοιάζουν με καθεδρικούς ναούς βρίσκονται στις 6 και 12 η ώρα στον δακτύλιο μήκους 17 μιλίων του LHC. Και οι δύο ομάδες, η καθεμία με πάνω από 3.000 μέλη, εργάζονται πυρετωδώς τους τελευταίους τρεις μήνες αναλύοντας μια πληθώρα δεδομένων από ένα μηχάνημα που τελικά λειτουργεί με τέρμα το γκάζι αφού αναβαθμίστηκε σχεδόν στο διπλάσιο της προηγούμενης ενέργειας λειτουργίας του. Τώρα συγκρούεται πρωτόνια με 13 τρισεκατομμύρια ηλεκτρον βολτ (TeV) ενέργειας — περισσότερες από 13.000 φορές τις μεμονωμένες μάζες των πρωτονίων — παρέχοντας αρκετή πρώτη ύλη για να γεννηθούν τεράστια στοιχειώδη σωματίδια, εάν υπάρχουν.

Μέχρι στιγμής, κανένα δεν έχει υλοποιηθεί. Ιδιαίτερα αποκαρδιωτική για πολλούς είναι η απώλεια του διφωτονίου, μιας περίσσειας ζευγών φωτονίων που εμφανίστηκαν στην περσινή παρτίδα teaser δεδομένων 13-TeV, και του οποίου η πηγή ήταν η εικασία για περίπου 500 έγγραφα από θεωρητικούς. Οι φήμες σχετικά με την εξαφάνιση του χτύπημα στα φετινά δεδομένα άρχισαν να διαρρέουν τον Ιούνιο, προκαλώντας ένα «διφωτονικό hangover» σε ολόκληρη την κοινότητα.

«Θα έδειχνε από μόνο του ένα πολύ συναρπαστικό μέλλον για τα πειράματα σωματιδίων», δήλωσε ο Raman Sundrum, ένας θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ. "Η απουσία του μας επαναφέρει εκεί που ήμασταν."

Η έλλειψη νέας φυσικής βαθαίνει μια κρίση που ξεκίνησε το 2012 κατά την πρώτη λειτουργία του LHC, όταν έγινε σαφές ότι οι συγκρούσεις 8-TeV του δεν θα δημιουργούσαν καμία νέα φυσική πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο. (Το μποζόνιο Χιγκς, που ανακαλύφθηκε εκείνη τη χρονιά, ήταν το τελευταίο κομμάτι παζλ του Καθιερωμένου Μοντέλου, παρά η προέκτασή του.) Ένα σωματίδιο του λευκού ιππότη θα μπορούσε να εμφανιστεί ακόμα αργότερα αυτό το έτος ή το επόμενο έτος ή, καθώς τα στατιστικά στοιχεία συγκεντρώνονται για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα κλίμακα, λεπτές εκπλήξεις στη συμπεριφορά των γνωστών σωματιδίων θα μπορούσαν έμμεσα να υπαινίσσονται νέα φυσική. Αλλά οι θεωρητικοί προετοιμάζονται όλο και περισσότερο για το «εφιαλτικό σενάριο» τους, στο οποίο ο LHC δεν προσφέρει καθόλου δρόμο προς μια πιο ολοκληρωμένη θεωρία της φύσης.

Ορισμένοι θεωρητικοί υποστηρίζουν ότι έχει ήδη έρθει η ώρα για όλο το πεδίο να αρχίσει να υπολογίζει με το μήνυμα των μηδενικών αποτελεσμάτων. Η απουσία νέων σωματιδίων σημαίνει σχεδόν σίγουρα ότι οι νόμοι της φυσικής δεν είναι φυσικοί με τον τρόπο που οι φυσικοί από καιρό υπέθεταν ότι είναι. "Η φυσικότητα έχει τόσο καλά κίνητρα", είπε ο Sundrum, "που η πραγματική απουσία της είναι μια σημαντική ανακάλυψη."

Τεμάχια που λείπουν

Ο κύριος λόγος για τον οποίο οι φυσικοί ένιωσαν σίγουροι ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο δεν θα μπορούσε να είναι ολόκληρη η ιστορία είναι ότι η ακίδα του, το μποζόνιο Higgs, έχει μια εξαιρετικά αφύσικη μάζα. Στις εξισώσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου, το Higgs είναι συζευγμένο με πολλά άλλα σωματίδια. Αυτή η σύζευξη προικίζει αυτά τα σωματίδια με μάζα, επιτρέποντάς τους με τη σειρά τους να οδηγήσουν την αξία της μάζας Higgs πέρα ​​δώθε, όπως οι ανταγωνιστές σε μια διελκυστίνδα. Μερικοί από τους ανταγωνιστές είναι εξαιρετικά ισχυροί - υποθετικά σωματίδια που σχετίζονται με τη βαρύτητα μπορεί να συνεισφέρουν (ή να αφαιρέσουν) έως και 10 εκατομμύρια δισεκατομμύρια TeV στη μάζα Higgs - ωστόσο, κατά κάποιο τρόπο η μάζα της καταλήγει στα 0,125 TeV, σαν οι ανταγωνιστές στο ρυμουλκό -πολεμικό φινίρισμα σε σχεδόν τέλεια ισοπαλία. Αυτό φαίνεται παράλογο — εκτός και αν υπάρχει κάποια λογική εξήγηση για το γιατί οι ανταγωνιστικές ομάδες ταιριάζουν τόσο ισόποσα.

Η υπερσυμμετρία, όπως αντιλήφθηκαν οι θεωρητικοί στις αρχές της δεκαετίας του 1980, κάνει το κόλπο. Λέει ότι για κάθε "φερμιόνιο" που υπάρχει στη φύση - ένα σωματίδιο ύλης, όπως ένα ηλεκτρόνιο ή κουάρκ, που προσθέτει στη μάζα Higgs - υπάρχει ένα υπερσυμμετρικό "μποζόνιο" ή σωματίδιο που φέρει δύναμη, που αφαιρεί από το Μάζα Higgs. Με αυτόν τον τρόπο, κάθε συμμετέχων στο παιχνίδι διελκυστίνδας έχει έναν αντίπαλο ίσης δύναμης και το Higgs είναι φυσικά σταθεροποιημένο. Οι θεωρητικοί επινόησαν εναλλακτικές προτάσεις για το πώς θα μπορούσε να επιτευχθεί η φυσικότητα, αλλά η υπερσυμμετρία είχε επιπλέον επιχειρήματα υπέρ της:Προκάλεσε τις δυνάμεις των τριών κβαντικών δυνάμεων να συγκλίνουν ακριβώς σε υψηλές ενέργειες, υποδηλώνοντας ότι ήταν ενοποιημένες στην αρχή του σύμπαντος. Και παρείχε ένα αδρανές, σταθερό σωματίδιο ακριβώς της σωστής μάζας για να είναι η σκοτεινή ύλη.

«Τα είχαμε καταλάβει όλα», είπε η Maria Spiropulu, σωματιδιακή φυσική στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια και μέλος του CMS. «Αν ρωτήσετε τους ανθρώπους της γενιάς μου, σχεδόν διδαχθήκαμε ότι η υπερσυμμετρία υπάρχει ακόμα κι αν δεν την έχουμε ανακαλύψει. Το πιστέψαμε.”

Εξ ου και η έκπληξη όταν οι υπερσυμμετρικοί εταίροι των γνωστών σωματιδίων δεν εμφανίστηκαν - πρώτα στον Μεγάλο Επιταχυντή Ηλεκτρονίων-Ποζιτρονίων τη δεκαετία του 1990, μετά στο Tevatron στη δεκαετία του 1990 και στις αρχές του 2000 και τώρα στον LHC. Καθώς οι επιταχυντές έχουν αναζητήσει ολοένα υψηλότερες ενέργειες, το χάσμα έχει διευρυνθεί μεταξύ των γνωστών σωματιδίων και των υποθετικών υπερσυντρόφων τους, οι οποίοι πρέπει να είναι πολύ βαρύτεροι για να έχουν αποφευχθεί η ανίχνευση. Τελικά, η υπερσυμμετρία «σπάει» τόσο που οι επιδράσεις των σωματιδίων και των υπερσυνεταίρων τους στη μάζα Higgs δεν ακυρώνονται πλέον και η υπερσυμμετρία αποτυγχάνει ως λύση στο πρόβλημα της φυσικότητας. Μερικοί ειδικοί υποστηρίζουν ότι έχουμε ήδη ξεπεράσει αυτό το σημείο. Άλλοι, επιτρέποντας περισσότερη ελευθερία στον τρόπο διάταξης ορισμένων παραγόντων, λένε ότι συμβαίνει αυτή τη στιγμή, με το ATLAS και το CMS να αποκλείουν το κουάρκ στοπ - τον υποθετικό υπερσυνεργάτη του κορυφαίου κουάρκ 0,173-TeV - έως μάζα 1 TeV. Αυτή είναι ήδη μια σχεδόν εξαπλάσια ανισορροπία μεταξύ της κορυφής και της στάσης στη διελκυστίνδα του Higgs. Ακόμα κι αν υπάρχει ένα στοπ βαρύτερο από 1 TeV, θα ήταν πολύ σκληρό το Higgs για να λύσει το πρόβλημα που επινοήθηκε για να αντιμετωπίσει.

"Νομίζω ότι το 1 TeV είναι ένα ψυχολογικό όριο", δήλωσε ο Albert de Roeck, ανώτερος ερευνητής στο CERN, το εργαστήριο που στεγάζει το LHC, και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Αμβέρσας στο Βέλγιο.

Κάποιοι θα πουν ότι φτάνει, αλλά για άλλους υπάρχουν ακόμα κενά στα οποία πρέπει να προσκολληθούν. Μεταξύ των μυριάδων υπερσυμμετρικών επεκτάσεων του Καθιερωμένου Μοντέλου, υπάρχουν πιο περίπλοκες εκδόσεις στις οποίες τα κουάρκ βαρύτερα από 1 TeV συνωμοτούν με πρόσθετα υπερσυμμετρικά σωματίδια για να αντισταθμίσουν το κορυφαίο κουάρκ, συντονίζοντας τη μάζα Higgs. Η θεωρία έχει τόσες πολλές παραλλαγές, ή μεμονωμένα «μοντέλα», που είναι σχεδόν αδύνατο να τη σκοτώσεις εντελώς. Ο Joe Incandela, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, ο οποίος ανακοίνωσε την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs για λογαριασμό της συνεργασίας CMS το 2012, και ο οποίος τώρα ηγείται μιας από τις αναζητήσεις stop-quark, είπε:«Αν δείτε κάτι , μπορείτε να κάνετε μια ανεξάρτητη από το μοντέλο δήλωση ότι βλέπετε κάτι. Το να μην βλέπεις τίποτα είναι λίγο πιο περίπλοκο."

Τα σωματίδια μπορούν να κρυφτούν σε γωνίες και σχισμές. Αν, για παράδειγμα, το κουάρκ στοπ και το ελαφρύτερο ουδέτερο (υποψήφιο της υπερσυμμετρίας για τη σκοτεινή ύλη) τυχαίνει να έχουν σχεδόν την ίδια μάζα, μπορεί να έχουν μείνει κρυμμένα μέχρι στιγμής. Ο λόγος για αυτό είναι ότι, όταν ένα κουάρκ στοπ δημιουργείται σε μια σύγκρουση και διασπάται, παράγοντας ένα ουδετερίνο, πολύ λίγη ενέργεια θα ελευθερωθεί για να πάρει τη μορφή κίνησης. «Όταν η στάση αποσυντίθεται, υπάρχει ένα σωματίδιο της σκοτεινής ύλης που κάθεται εκεί», εξήγησε ο Kyle Cranmer του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης, μέλος του ATLAS. «Δεν το βλέπεις. Οπότε σε αυτές τις περιοχές είναι πολύ δύσκολο να το ψάξεις». Σε αυτήν την περίπτωση, ένα κουάρκ στοπ με μάζα τόσο χαμηλή όσο 0,6 TeV θα μπορούσε να εξακολουθεί να κρύβεται στα δεδομένα.

Οι πειραματιστές θα προσπαθήσουν να κλείσουν αυτά τα κενά τα επόμενα χρόνια ή να σκάψουν τα κρυμμένα σωματίδια. Εν τω μεταξύ, οι θεωρητικοί που είναι έτοιμοι να προχωρήσουν αντιμετωπίζουν το γεγονός ότι δεν έχουν πινακίδες από τη φύση για το ποιο δρόμο να ακολουθήσουν. «Είναι μια πολύ μπερδεμένη και αβέβαιη κατάσταση», είπε ο Arkani-Hamed.

Νέα Ελπίδα

Πολλοί θεωρητικοί των σωματιδίων αναγνωρίζουν τώρα μια μακροπρόθεσμη πιθανότητα:ότι η μάζα του μποζονίου Χιγκς είναι απλώς αφύσικη - η μικρή του αξία που προκύπτει από μια τυχαία, λεπτοσυντονισμένη ακύρωση σε ένα κοσμικό παιχνίδι διελκυστίνδας - και ότι παρατηρούμε τέτοια μια ιδιόμορφη ιδιοκτησία γιατί από αυτήν εξαρτάται η ζωή μας. Σε αυτό το σενάριο, υπάρχουν πολλά, πολλά σύμπαντα, το καθένα διαμορφωμένο από διαφορετικούς τυχαίους συνδυασμούς εφέ. Από όλα αυτά τα σύμπαντα, μόνο αυτά με τυχαία ελαφριά μποζόνια Higgs θα επιτρέψουν να σχηματιστούν άτομα και έτσι να δημιουργήσουν ζωντανά όντα. Αλλά αυτό το «ανθρωπικό» επιχείρημα είναι ευρέως αντιπαθές επειδή είναι φαινομενικά μη δοκιμασμένο.

Τα τελευταία δύο χρόνια, ορισμένοι θεωρητικοί φυσικοί άρχισαν να επινοούν εντελώς νέες φυσικές εξηγήσεις για τη μάζα Higgs που αποφεύγουν τη μοιρολατρία του ανθρωπικού συλλογισμού και δεν βασίζονται σε νέα σωματίδια που εμφανίζονται στον LHC. Την περασμένη εβδομάδα στο CERN, ενώ οι πειραματικοί συνάδελφοί τους σε άλλα μέρη του κτιρίου τσάκιζαν τα δεδομένα αναζητώντας τέτοια σωματίδια, οι θεωρητικοί διοργάνωσαν ένα εργαστήριο για να συζητήσουν νέες ιδέες όπως η υπόθεση της χαλάρωσης — η οποία υποθέτει ότι η μάζα Higgs, αντί να διαμορφώνεται από τη συμμετρία, σμιλεύτηκε δυναμικά από τη γέννηση του σύμπαντος — και πιθανούς τρόπους δοκιμής αυτών των ιδεών. Ο Ναθάνιελ Κρεγκ από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, ο οποίος εργάζεται πάνω σε μια ιδέα που ονομάζεται «ουδέτερη φυσικότητα», είπε σε τηλεφωνική επικοινωνία από το εργαστήριο του CERN, «Τώρα που όλοι έχουν ξεπεράσει το διφωτόνιο hangover τους, επιστρέφουμε σε αυτές τις ερωτήσεις. που στοχεύουν πραγματικά στην αντιμετώπιση της έλλειψης φαινομενικής νέας φυσικής στο LHC."

Ο Arkani-Hamed, ο οποίος, μαζί με αρκετούς συναδέλφους του, πρότεινε πρόσφατα μια άλλη νέα προσέγγιση που ονομάζεται «Nnaturalness», είπε:«Υπάρχουν πολλοί θεωρητικοί, συμπεριλαμβανομένου εμένα, που πιστεύουν ότι βρισκόμαστε σε μια εντελώς μοναδική εποχή, όπου οι ερωτήσεις στο τραπέζι είναι τα πραγματικά τεράστια, δομικά, όχι οι λεπτομέρειες του επόμενου σωματιδίου. Είμαστε πολύ τυχεροί που ζούμε σε μια περίοδο όπως αυτή — ακόμα κι αν δεν υπάρχει σημαντική, επαληθευμένη πρόοδος στη ζωή μας."

Καθώς οι θεωρητικοί επιστρέφουν στους μαυροπίνακες τους, οι 6.000 πειραματιστές με CMS και ATLAS απολαμβάνουν την εξερεύνηση ενός αχαρτογράφητου βασίλειου. «Εφιάλτης, τι σημαίνει;» είπε ο Spiropulu, αναφερόμενος στην αγωνία των θεωρητικών για το σενάριο του εφιάλτη. «Εξερευνούμε τη φύση. Ίσως δεν έχουμε χρόνο να σκεφτόμαστε τέτοιους εφιάλτες, γιατί κατακλύζουμε δεδομένα και είμαστε εξαιρετικά ενθουσιασμένοι."

Υπάρχει ακόμα ελπίδα ότι θα εμφανιστεί νέα φυσική. Αλλά το να μην ανακαλύπτεις τίποτα, κατά την άποψη του Spiropulu, είναι μια ανακάλυψη το ίδιο - ειδικά όταν προαναγγέλλει το θάνατο αγαπημένων ιδεών. «Οι πειραματιστές δεν έχουν θρησκεία», είπε.

Μερικοί θεωρητικοί συμφωνούν. Η συζήτηση για απογοήτευση είναι «τρελή συζήτηση», είπε ο Arkani-Hamed. «Είναι στην πραγματικότητα η φύση! Μαθαίνουμε την απάντηση! Αυτοί οι 6.000 άνθρωποι σκάνε τους πισούς τους και εσύ μουτρώνεις σαν μικρό παιδί επειδή δεν πήρες το γλειφιτζούρι που ήθελες;»

Αποθήκευση

Αποθήκευση

Αποθήκευση

Αποθήκευση