Hiukkasfysiikan raamattu kuolee päivityksen vuoksi. Ja fyysikoilla voi olla vain asia: Jotkut hiukkaset ja voimat saattavat katsoa peiliin eivätkä tunnista itseään. Se sinänsä lähettäisi niin kutsutun standardimallin tappinappiin.
Melkein kaikki universumin subatomisten hiukkasten väliset perustavanlaatuiset reaktiot näyttävät samoilta, kun niitä käännetään peiliin. Peilikuvan, nimeltään pariteetti, sanotaan sitten olevan symmetrinen tai että sillä on pariteettisymmetria, fysiikan puhuessa.
Tietysti kaikki eivät noudata sääntöjä. Tiedämme, että esimerkiksi reaktiot, joihin liittyy heikko ydinvoima, joka on myös outo monista muista syistä, rikkoo pariteettisymmetriaa. Joten on perusteltua, että muut kvantimaailman voimat ja hiukkaset ovat myös sääntöjen rikkojia tällä alueella.
Fyysikoilla on ideoita näistä muista hypoteettisista reaktioista, jotka eivät näytä samalta peilistä ja rikkoisivat siten pariteettisymmetriaa. Nämä omituiset reaktiot voivat ohjata meitä kohti uutta fysiikkaa, joka voi auttaa meitä siirtymään hiukkasfysiikan standardimallin ohi, nykyisen yhteenvedon kaikista asioista subatomisista.
Valitettavasti emme koskaan näe useimpia näistä outoista reaktioista atomisuihkureissamme ja laboratorioissamme. Vuorovaikutukset ovat aivan liian harvinaisia ja heikkoja havaittavissa instrumentteillemme, jotka on viritetty muunlaiseen vuorovaikutukseen. Mutta voi olla joitain harvinaisia poikkeuksia. Geneven lähellä sijaitsevan maailman suurimman atomimurskaajan, Large Hadron Collider (LHC), tutkijat ovat metsästaneet näitä harvinaisia vuorovaikutuksia. Toistaiseksi he ovat keksineet tyhjin käsin, mutta jopa tämä tulos on valaiseva. Negatiiviset tulokset auttavat poistamaan hedelmättömät hypoteesit harkinnan perusteella, jolloin fyysikot voivat keskittyä lupaavampiin keinoihin uuden fysiikan metsästyksessä.
Kerro kerro kuvastin
Yksi tärkeimmistä käsitteistä koko fysiikassa on symmetria. Voisit jopa kohtuudella väittää, että fyysikot ovat vain symmetrianmetsästäjiä. Symmetriat paljastavat luonnon peruslait, jotka hallitsevat todellisuuden sisimpiä toimia. Symmetria on iso juttu.
Eli mikä se on? Symmetria tarkoittaa, että jos muutat yhtä elementtiä prosessissa tai vuorovaikutuksessa, prosessi pysyy samana. Fyysikot sanovat sitten, että prosessi on symmetrinen muutoksen suhteen. Olen täällä tarkoituksella epämääräinen, koska siellä on niin paljon erilaisia symmetrioita. Esimerkiksi, joskus voit muuttaa hiukkasten varausmerkin, joskus voi ajaa prosesseja eteenpäin tai taaksepäin ajoissa, ja joskus voit suorittaa prosessin peilikuvan version.
Tätä viimeistä, jota tarkastellaan prosessissa peilissä, kutsutaan pariteetin symmetriseksi. Suurin osa fysiikan subatomisista vuorovaikutuksista antaa sinulle täsmälleen saman tuloksen riippumatta siitä, tehdäänkö ne edessäsi tai peilissä. Mutta jotkut vuorovaikutukset rikkovat tätä symmetriaa, kuten heikko ydinvoima, varsinkin kun neutriinoja syntyy vuorovaikutuksissa, joihin tuo voima liittyy.
Neutrinot pyörittävät aina "taaksepäin" (toisin sanoen niiden spin-akseli osoittaa poispäin liikesuunnastaan), kun taas antineutrinos spin "eteenpäin" (heidän spin-akselinsa osoittavat suoraan eteenpäin, kun ne lentävät). Tämä tarkoittaa, että neutrinoiden ja antineutrinoiden lukumäärässä on hyvin hienovaraisia eroja, kun tuot normaalia versiota peiliin käännetyssä kokeessa, joka perustuu heikkoon ydinvoimaan.
Rikki peilit
Sikäli kuin tiedämme, heikko ydinvoima ja heikko ydinvoima yksin rikkovat pariteetin symmetriaa. Mutta ehkä se ei ole yksin.
Tiedämme, että fysiikan, jota ymmärrämme tällä hetkellä, on oltava olemassa. Ja jotkut näistä hypoteettisista ideoista ja käsitteistä rikkovat myös pariteetin symmetriaa. Esimerkiksi jotkut näistä teorioista ennustavat hienoiset asymmetriat muuten normaalissa vuorovaikutuksessa, joka liittyy sellaisiin hiukkasiin, joita LHC tyypillisesti tutkii.
Tietenkin nämä hypoteettiset ideat ovat eksoottisia, monimutkaisia ja erittäin vaikea testata. Ja monissa tapauksissa emme ole aivan varmoja siitä, mitä etsimme.
Ongelmana on, että vaikka tiedämme, että nykyinen käsitys hiukkasmaailmasta, nimeltään Standardimalli, on epätäydellinen, emme tiedä mistä etsiä sen korvaamista. Monet fyysikot toivoivat, että LHC paljastaisi jotain - uuden hiukkasen, uuden vuorovaikutuksen, mitä tahansa -, joka osoittaisi meitä kohti jotain uutta ja jännittävää, mutta toistaiseksi kaikki nämä etsinnät ovat epäonnistuneet.
Monet entisen edelläkävijän teorioista standardimallin ulkopuolelle (kuten supersymmetria) on hitaasti suljettu pois. Pariteettisymmetrian loukkaaminen saattaa tässä olla hyödyllinen.
Lähes kaikkiin yleisiin hypoteettisiin laajennuksiin vakiomalliin sisältyy rajoitus, että vain heikko ydinvoima rikkoo pariteettisymmetriaa. (Tämä otetaan huomioon mallien perusmatematiikassa, jos ihmettelit kuinka tämä toimii.) Tämä tarkoittaa sellaisia käsitteitä kuin supersymmetria, akselit ja leptoquarksit pitävät kaikki tämän symmetrian murtumassa tarkalleen missä se on, eikä missään muualla.
Mutta katso, kaverit, jos nämä yleiset laajennukset eivät poistu, ehkä on aika laajentaa näköpiirissämme.
Kuorinnan takana pariteetti
Tästä syystä tutkijaryhmä etsi pariteettiloukkauksia LHC: n Compact Muon Solenoid (CMS) -kokeen julkaisemassa tietojen välimuistissa; he tarkensivat tuloksiaan 29. huhtikuuta julkaistussa tutkimuksessa esipainatuspalvelimelle arXiv. Tämä oli aika hankala haku, koska LHC: tä ei oikeastaan ole perustettu etsimään pariteettiloukkauksia. Mutta tutkijat keksivät taitavasti tavan tehdä se tutkimalla jäämiä muiden hiukkasten välisissä vuorovaikutuksissa.
Tulos: Pariteettiloukkauksista ei löytynyt vinkkejä. Hooray vakiomalliin (jälleen). Vaikka onkin pettymys, että tämä tutkimus ei avannut fysiikan uutta rajaa, se auttaa selventämään tulevia hakuja. Jos jatkamme etsintää ja emme edelleenkään löydä todisteita pariteetin rikkomisesta heikon ydinvoiman ulkopuolella, tiedämme, että standardimallin ulkopuolella olevalla on oltava samat matemaattiset rakenteet kuin tuella pääteorialla ja sallittava vain heikko ydinvoima näyttävät peililtä erilaisilta.
