Hiukkasfysiikan hallitseva teoria selittää kaiken subatomisesta maailmasta ... paitsi osat, joita se ei tee. Ja valitettavasti ei ole paljon imartelevia adjektiiveja, joita voidaan soveltaa ns. Standardimalliin. Tämä perusteellisen fysiikan teoria, joka on rakennettu vähitellen vuosikymmenten kuluessa, kuvataan parhaiten epämiellyttäväksi, hodgepodgeksi ja MacGyver-ediksi yhdessä narunpalasten ja purukumin kanssa.
Silti se on uskomattoman tehokas malli, joka ennustaa tarkasti valtavan määrän vuorovaikutuksia ja prosesseja.
Mutta siinä on joitain räikeitä puutteita: Se ei sisällä painovoimaa; se ei voi selittää erilaisten hiukkasten massoja, joista jotkut antavat voimaa; sillä ei ole selitystä tietylle neutriinokäyttäytymiselle; ja suoraviivaisella ei ole vastausta tumman aineen olemassaolosta.
Joten meidän on keksittävä jotain. Meidän on mennä standardimallin ulkopuolelle ymmärtääksemme paremmin maailmankaikkeutta.
Valitettavasti monet johtavista kilpailijoista, jotka selittävät tätä suurta ulkopuolelle - kutsutaan supersymmetrisiksi teorioiksi - on viime vuosina suljettu pois tai rajoitettu ankarasti. Vielä on olemassa Hail Mary -konsepti, joka voisi selittää maailmankaikkeuden salaperäiset osat, joita standardimalli ei kata: Pitkäikäiset supersymmetriset hiukkaset, joita joskus kutsutaan lyhyiksi partaiksi. Mutta masentavaa, viimeksi tehty haku näitä pariton pallohiukkasia on palannut tyhjin käsin.
Ei-niin-super-symmetria
Ylivoimaisimmin trendikkäimmät teoriat, jotka ohittavat nykyisen standardimallin rajat, on ryhmitelty ideasarjaan, joka tunnetaan nimellä supersymmetria. Näissä malleissa luonnon hiukkasten kahdella suurella leirillä ("bosoneilla", kuten tutuilla fotoneilla; ja "fermioneilla" - kuten elektroneilla, kvarkeilla ja neutriinoilla) on todella omituinen sisarussuhde. Jokaisella bosonilla on kumppani fermionimaailmassa, ja samoin jokaisella fermionilla on bosonikaverinsa kutsua omakseen.
Mikään näistä kumppaneista (tai sopivimmin hiukkasfysiikan hämmentävästä žargonista - "superpartners") ei kuulu tunnettujen hiukkasten tavanomaiseen perheeseen. Sen sijaan ne ovat tyypillisesti paljon, paljon raskaampia, vieraita ja yleensä vaaleamman näköisiä.
Tämä tunnettujen hiukkasten ja niiden superpartnerien välinen massaero johtuu siitä, jota kutsutaan symmetrian murtamiseksi. Tämä tarkoittaa, että suurilla energioilla (kuten hiukkaskiihdyttimien sisäpuolella) partikkelien ja niiden kumppanien väliset matemaattiset suhteet ovat tasaisella kölillä, mikä johtaa samoihin massoihin. Pienillä energialähteillä (kuten normaalissa arjessa koettavilla energiatasoilla) tämä symmetria kuitenkin katkeaa, jolloin kumppanin hiukkasmassat nousevat nousevan. Tämä mekanismi on tärkeä, koska se sattuu myös selittämään, miksi esimerkiksi painovoima on niin paljon heikompi kuin muut voimat. Matematiikka on vain pieni, monimutkainen, mutta lyhyt versio on seuraava: Jotain murtui universumissa, jolloin normaalit hiukkaset muuttuivat dramaattisesti vähemmän massiivisiksi kuin niiden superpartnerit. Sama rikkova toiminta on saattanut rangaista painovoimaa, vähentäen sen voimakkuutta suhteessa muihin voimiin. Näppärä.
Elä pitkään ja menesty
Metsästääkseen supersymmetriaa joukko fyysikoita sirutti sisään ja rakensi atomimurskaajan nimeltä Large Hadron Collider, joka vuosien vaikean etsinnän jälkeen päätyi yllättävään, mutta pettymysten tulokseen, että melkein kaikki supersymmetriamallit olivat väärässä.
Oho.
Yksinkertaisesti sanottuna, emme löydä kumppanin hiukkasia. Nolla. Zilch. Nada. Maailman voimakkaimmassa törmäysaineessa, jossa hiukkaset vedetään ympyränmuotoisen ympyrän ympärille lähellä valonopeutta, ennen niiden törmäämistä toisiinsa, ei ole esiintynyt yhtään supersymmetriavihjeitä, mikä johtaa toisinaan eksoottisten uusien hiukkasten tuottamiseen. Se ei välttämättä tarkoita, että supersymmetria on sinänsä väärässä, mutta kaikki yksinkertaisimmat mallit on nyt poistettu käytöstä. Onko aika hylätä supersymmetria? Ehkä, mutta siellä voi olla Terve Mary: pitkäikäiset hiukkaset.
Yleensä hiukkasfysiikan maalla mitä massiivisempi olet, sitä epävakaampi olet ja sitä nopeammin tuhoudut yksinkertaisemmiksi, kevyemmiksi hiukkasiksi. Se on vain tapa, jolla asiat ovat. Koska kumppanipartikkelien odotetaan kaikkien olevan raskaita (muuten olisimme nähneet ne jo nyt), odotimme, että ne hajoavat nopeasti muiden havaittavien asioiden suihkuiksi, ja sitten olisimme rakentaneet ilmaisimet vastaavasti.
Mutta entä jos kumppanin hiukkaset olisivat pitkäikäisiä? Entä jos nämä hiukkaset pääsevät jonkin eksoottisen fysiikan takana (antamaan teoreetikoille muutama tunti ajatella sitä, ja he keksivät enemmän kuin tarpeeksi kiertoa sen toteuttamiseksi) nämä hiukkaset pääsevät ilmaisimien rajoihin ennen kuin ne lakkaavat vastuullisesti johonkin vähemmän omituiseen? Tässä tilanteessa hakuamme olisivat tulleet täysin tyhjiä yksinkertaisesti siksi, että emme olleet etsineet tarpeeksi kaukana. Ilmaisimia ei myöskään ole suunniteltu etsimään suoraan näitä pitkäikäisiä hiukkasia.
ATLAS pelastamaan
Äskettäisessä online-julkaisussa, joka julkaistiin 8. helmikuuta esipainatuspalvelimesta arXiv, ATLAS-yhteistyön jäsenet (hiukan hankala lyhenne A Toroidal LHC ApparatuS -yrityksestä) Large Hadron Collider -yrityksessä kertoivat sellaisten pitkäikäisten hiukkasten tutkinnasta. Nykyisessä kokeellisessa asennuksessa he eivät voineet etsiä kaikkia mahdollisia pitkäikäisiä hiukkasia, mutta he pystyivät etsimään neutraaleja hiukkasia, joiden massat olivat 5 - 400 kertaa protonin suurempia.
ATLAS-ryhmä etsi pitkäikäisiä hiukkasia ei detektorin keskustasta, vaan sen reunoista, mikä olisi antanut hiukkasille mahdollisuuden matkustaa mihin vain muutamasta senttimetristä muutamaan metriin. Se ei ehkä tunnu kovin kauas inhimillisistä normeista, mutta massiivisille, perustavanlaatuisille hiukkasille se voi yhtä hyvin olla tunnetun maailmankaikkeuden reuna.
Tietenkin, tämä ei ole ensimmäinen pitkäikäisten hiukkasten haku, mutta se on kaikkein kattavin, ja se käyttää melkein kokonaispainoa kuormien kokeellisia levyjä Large Hadron Collider -laitteessa.
Ja suuri tulos: Ei mitään. Nolla. Zilch. Nada.
Ei ainoa merkki mistään pitkäikäisistä hiukkasista.
Tarkoittaako tämä myös sitä, että idea on kuollut? Ei aivan - näitä instrumentteja ei oikeastaan suunniteltu metsästämään tällaisia villieläimiä, ja kaapamme vain siitä, mitä meillä on. Se voi viedä uuden sukupolven kokeita, jotka on erityisesti suunniteltu pitkäikäisten hiukkasten ansamiseen, ennen kuin saamme yhden.
Tai, masentavammin, niitä ei ole olemassa. Ja se tarkoittaisi, että nämä olennot - yhdessä niiden supersymmetristen kumppaneidensa kanssa - ovat todella vain kuumeisten fyysikkojen unelmoimia haamuja, ja me tarvitsemme aivan uusia puitteita eräiden nykyajan fysiikan ratkaisemattomien ongelmien ratkaisemiseksi.
