Δέκα χρόνια μετά το Higgs, οι φυσικοί αντιμετωπίζουν τον εφιάλτη να μην βρουν τίποτα άλλο
Πριν από μια δεκαετία, οι φυσικοί των σωματιδίων ενθουσίασαν τον κόσμο. Στις 4 Ιουλίου 2012, 6.000 ερευνητές που εργάζονταν με τον μεγαλύτερο επιταχυντή ατόμου στον κόσμο, τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο Ευρωπαϊκό εργαστήριο φυσικής σωματιδίων, CERN, ανακοίνωσαν ότι ανακάλυψαν το μποζόνιο Higgs, ένα τεράστιο, φευγαλέο κλειδί σωματιδίων για την παράλογη εξήγηση τους. πώς άλλα θεμελιώδη σωματίδια παίρνουν τη μάζα τους. Η ανακάλυψη εκπλήρωσε μια πρόβλεψη 45 ετών, ολοκλήρωσε μια θεωρία που ονομάζεται τυπικό μοντέλο και έβαλε τους φυσικούς στο προσκήνιο.
Μετά ήρθε ένα μακρύ hangover. Πριν ο μήκους 27 χιλιομέτρων σε σχήμα δακτυλίου LHC αρχίσει να λαμβάνει δεδομένα το 2010, οι φυσικοί ανησυχούσαν ότι θα μπορούσε να παράγει το Higgs και τίποτα άλλο, χωρίς να αφήνει καμία ένδειξη για το τι βρίσκεται πέρα από το τυπικό μοντέλο. Μέχρι στιγμής, αυτό το εφιαλτικό σενάριο γίνεται πραγματικότητα. «Είναι λίγο απογοητευτικό», λέει ο Barry Barish, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια. «Νόμιζα ότι θα ανακαλύψαμε την υπερσυμμετρία», την κορυφαία επέκταση του τυπικού μοντέλου.
Είναι πολύ νωρίς για απελπισία, λένε πολλοί φυσικοί. Μετά από 3 χρόνια αναβαθμίσεων, ο LHC ενεργοποιείται τώρα για την τρίτη από τις πέντε προγραμματισμένες σειρές και κάποιο νέο σωματίδιο θα μπορούσε να εμφανιστεί στις δισεκατομμύρια συγκρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων που θα παράγει κάθε δευτερόλεπτο. Στην πραγματικότητα, ο LHC θα πρέπει να λειτουργεί για άλλα 16 χρόνια και με περαιτέρω αναβαθμίσεις θα πρέπει να συλλέγει 16 φορές περισσότερα δεδομένα από όσα έχει ήδη. Όλα αυτά τα δεδομένα θα μπορούσαν να αποκαλύψουν ανεπαίσθητα σημάδια νέων σωματιδίων και φαινομένων.
Ωστόσο, ορισμένοι ερευνητές λένε ότι η γραφή είναι στον τοίχο για τη φυσική των επιταχυντών. «Αν δεν βρουν τίποτα, αυτό το πεδίο είναι νεκρό», λέει ο Juan Collar, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο που κυνηγάει τη σκοτεινή ύλη σε μικρότερα πειράματα. Ο Τζον Έλις, θεωρητικός στο King's College του Λονδίνου, λέει ότι οι ελπίδες για μια ξαφνική ανακάλυψη έχουν δώσει τη θέση τους στην προοπτική μιας μακράς, αβέβαιης πορείας προς την ανακάλυψη. "Θα είναι σαν να τραβάμε δόντια, όχι σαν να πέφτουν δόντια."
Από τη δεκαετία του 1970, οι φυσικοί έχουν αποκλειστεί σε έναν αγώνα πάλης με το τυπικό μοντέλο. Υποστηρίζει ότι η συνηθισμένη ύλη αποτελείται από ελαφρά σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ και κάτω κουάρκ - τα οποία συνδέονται σε τρίο για να δημιουργήσουν πρωτόνια και νετρόνια - μαζί με ηλεκτρόνια και σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα ηλεκτρονίων. Δύο σετ βαρύτερων σωματιδίων κρύβονται στο κενό και μπορούν να εκτιναχτούν σε φευγαλέα ύπαρξη σε συγκρούσεις σωματιδίων. Όλα αλληλεπιδρούν ανταλλάσσοντας άλλα σωματίδια:Το φωτόνιο μεταφέρει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, το γλουόνιο μεταφέρει την ισχυρή δύναμη που δεσμεύει τα κουάρκ και τα τεράστια μποζόνια W και Z μεταφέρουν την ασθενή δύναμη.
Το τυπικό μοντέλο περιγράφει όλα όσα έχουν δει οι επιστήμονες στους επιταχυντές σωματιδίων μέχρι στιγμής. Ωστόσο, δεν μπορεί να είναι η τελική θεωρία της φύσης. Αφήνει έξω τη δύναμη της βαρύτητας και δεν περιλαμβάνει τη μυστηριώδη, αόρατη σκοτεινή ύλη, η οποία φαίνεται να υπερτερεί της συνηθισμένης ύλης στο σύμπαν έξι προς ένα.
Το LHC έπρεπε να σπάσει αυτό το αδιέξοδο. Στον δακτύλιο του, τα πρωτόνια που κυκλοφορούν σε αντίθετες κατευθύνσεις συντρίβονται με ενέργειες σχεδόν επτά φορές υψηλότερες από οποιονδήποτε προηγούμενο επιταχυντή, επιτρέποντας στον LHC να παράγει σωματίδια πολύ μεγάλα για να κατασκευαστούν αλλού. Πριν από μια δεκαετία, πολλοί φυσικοί οραματίστηκαν να εντοπίζουν γρήγορα θαύματα, συμπεριλαμβανομένων νέων σωματιδίων που μεταφέρουν δύναμη ή ακόμη και μίνι μαύρων τρυπών. «Θα πνιγόταν κανείς σε υπερσυμμετρικά σωματίδια», θυμάται ο Beate Heinemann, διευθυντής σωματιδιακής φυσικής στο γερμανικό εργαστήριο DESY. Η εύρεση του Higgs θα διαρκούσε περισσότερο, προέβλεψαν οι φυσικοί.
Αντίθετα, το Higgs εμφανίστηκε σε σχετικά γρήγορα 3 χρόνια - εν μέρει επειδή είναι κάπως μικρότερης μάζας από ό,τι περίμεναν πολλοί φυσικοί, περίπου 133 φορές πιο βαρύ από ένα πρωτόνιο, γεγονός που έκανε ευκολότερη την παραγωγή του. Και 10 χρόνια μετά από αυτή τη μνημειώδη ανακάλυψη, κανένα άλλο νέο σωματίδιο δεν έχει εμφανιστεί.
Αυτή η έλλειψη έχει υπονομεύσει δύο από τις αγαπημένες ιδέες των φυσικών. Μια έννοια που ονομάζεται φυσικότητα υποδηλώνει ότι η χαμηλή μάζα του Higgs εγγυάται λίγο πολύ την ύπαρξη νέων σωματιδίων μέσα στην αντίληψη του LHC. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, τυχόν σωματίδια που κρύβονται «εικονικά» στο κενό θα αλληλεπιδράσουν με τα πραγματικά και θα επηρεάσουν τις ιδιότητές τους. Αυτός είναι ακριβώς ο τρόπος με τον οποίο τα εικονικά μποζόνια Higgs δίνουν σε άλλα σωματίδια τη μάζα τους.
Ωστόσο, ότι η φυσική κόβει και τους δύο τρόπους. Η μάζα του μποζονίου Χιγκς θα πρέπει να έλκεται δραματικά προς τα πάνω από άλλα τυπικά σωματίδια μοντέλου στο κενό - ειδικά το κορυφαίο κουάρκ, μια βαρύτερη εκδοχή του άνω κουάρκ που ζυγίζει 184 φορές περισσότερο από το πρωτόνιο. Αυτό δεν συμβαίνει, επομένως οι θεωρητικοί έχουν υποστηρίξει ότι τουλάχιστον ένα άλλο νέο σωματίδιο με παρόμοια μάζα και ακριβώς τις σωστές ιδιότητες —ιδιαίτερα, διαφορετικό σπιν— πρέπει να υπάρχει στο κενό για να αντιμετωπίσει «φυσικά» τα αποτελέσματα του κορυφαίου κουάρκ .
Η θεωρητική ιδέα που είναι γνωστή ως υπερσυμμετρία θα παρείχε τέτοια σωματίδια. Για κάθε γνωστό τυπικό σωματίδιο μοντέλου, θέτει έναν βαρύτερο συνεργάτη με διαφορετική περιστροφή. Παραμονεύοντας στο κενό, αυτοί οι εταίροι όχι μόνο θα εμπόδιζαν τη μάζα του Higgs να διαφύγει, αλλά θα βοηθούσαν επίσης να εξηγηθεί πώς δημιουργήθηκε το πεδίο Higgs, το οποίο διαπερνά το κενό σαν ένα άσβεστο ηλεκτρικό πεδίο. Τα υπερσυμμετρικά σωματίδια μπορεί ακόμη και να ευθύνονται για τη σκοτεινή ύλη.
Αλλά αντί για εκείνα τα αναμενόμενα σωματίδια, αυτό που προέκυψε την τελευταία δεκαετία είναι δελεαστικές ανωμαλίες -μικρές αποκλίσεις μεταξύ των παρατηρήσεων και των τυπικών προβλέψεων μοντέλων- που θα εξερευνήσουν οι φυσικοί στην επόμενη τριετία του LHC. Για παράδειγμα, το 2017, φυσικοί που εργάζονταν με τον LHCb, έναν από τους τέσσερις ανιχνευτές μεγάλων σωματιδίων που τροφοδοτούνται από τον LHC, διαπίστωσαν ότι τα μεσόνια Β, σωματίδια που περιέχουν ένα βαρύ κουάρκ πυθμένα, διασπώνται πιο συχνά σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο παρά σε ένα σωματίδιο που ονομάζεται μιόνιο και ένα αντιμυόνιο. Το τυπικό μοντέλο λέει ότι οι δύο ρυθμοί θα πρέπει να είναι οι ίδιοι και η διαφορά μπορεί να εξηγηθεί από την ύπαρξη εξωτικών σωματιδίων που ονομάζονται λεπτοκουάρκ, τα οποία θα μπορούσαν ήδη να κρύβονται απαρατήρητα στην έξοδο του LHC, λέει ο Ellis.
Ομοίως, πειράματα αλλού υποδηλώνουν ότι το μιόνιο μπορεί να είναι πολύ ελαφρώς πιο μαγνητικό από ό,τι προβλέπει το τυπικό μοντέλο (Science , 9 Απριλίου 2021, σελ. 113). Αυτή η ανωμαλία θα μπορούσε να είναι ένας υπαινιγμός υπερσυμμετρικών σωματιδίων ή λεπτοκουάρκ, λέει ο Έλις.
Το ίδιο το Higgs παρέχει άλλους τρόπους εξερεύνησης, καθώς οποιαδήποτε διαφορά μεταξύ των παρατηρούμενων και των προβλεπόμενων ιδιοτήτων του θα σήμαινε νέα φυσική. Για παράδειγμα, τον Αύγουστο του 2020, ομάδες φυσικών που εργάζονταν με τους δύο μεγαλύτερους ανιχνευτές του LHC, τον ATLAS και τον CMS, ανακοίνωσαν ότι και οι δύο είχαν εντοπίσει το Higgs να διασπάται σε μιόνιο και αντιμιόνιο. Εάν ο ρυθμός αυτής της δυσδιάκριτης διάσπασης διαφέρει από τις προβλέψεις, η απόκλιση θα μπορούσε να υποδηλώνει νέα σωματίδια που κρύβονται στο κενό, λέει η Marcela Carena, θεωρητικός στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi.
Αυτές οι αναζητήσεις πιθανότατα δεν θα αποδώσουν δραματικό "Eureka!" στιγμές όμως. «Υπάρχει μια στροφή προς τις πολύ ακριβείς μετρήσεις των λεπτών επιδράσεων», λέει ο Heinemann. Ωστόσο, η Carena λέει, «Αμφιβάλλω πολύ ότι σε 20 χρόνια, θα πω, "Ω, αγόρι, μετά την ανακάλυψη του Higgs δεν μάθαμε τίποτα καινούργιο."
Άλλοι είναι λιγότερο αισιόδοξοι για τις πιθανότητες των πειραματιστών LHC. «Βλέπουν την έρημο και δεν ξέρουν πόσο φαρδιά είναι», λέει ο Μάρβιν Μάρσακ, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα, που μελετά τα νετρίνα χρησιμοποιώντας άλλες εγκαταστάσεις. Ακόμη και οι αισιόδοξοι λένε ότι αν ο LHC δεν βρει τίποτα καινούργιο, θα είναι πιο δύσκολο να πειστούν οι κυβερνήσεις του κόσμου να κατασκευάσουν τον επόμενο μεγαλύτερο, πιο ακριβό επιταχυντή για να συνεχίσει το πεδίο.
Προς το παρόν, πολλοί φυσικοί στο LHC είναι απλώς ενθουσιασμένοι που θα επιστρέψουν στη συντριβή πρωτονίων. Τα τελευταία 3 χρόνια, οι επιστήμονες αναβάθμισαν τους ανιχνευτές και ξαναδούλεψαν τους επιταχυντές χαμηλότερης ενέργειας που τροφοδοτούν τον επιταχυντή. Ο LHC θα πρέπει τώρα να λειτουργεί με πιο σταθερό ρυθμό σύγκρουσης, αυξάνοντας ουσιαστικά τη ροή δεδομένων έως και 50%, λέει ο Mike Lamont, διευθυντής επιταχυντών και ακτίνων στο CERN.
Οι φυσικοί των επιταχυντών συντονίζουν αργά τις δέσμες του LHC εδώ και μήνες, λέει ο Lamont. Μόνο όταν οι δέσμες είναι αρκετά σταθερές θα ενεργοποιήσουν τους ανιχνευτές και θα συνεχίσουν να λαμβάνουν δεδομένα. Αυτοί οι διακόπτες θα πρέπει να γυρίσουν στις 5 Ιουλίου, 10 χρόνια και 1 ημέρα μετά την ανακοίνωση της ανακάλυψης Higgs, λέει ο Lamont. "Είναι καλό να ασχολείσαι με κάποιο σταθερό τρέξιμο."
