Biblia fizyki cząstek umiera na ulepszenie. A fizycy mogą mieć coś takiego: niektóre cząstki i siły mogą patrzeć w lustro i nie rozpoznawać siebie. To samo w sobie spowodowałoby wysłanie tak zwanego Modelu Standardowego do prędkości obrotowej.
Prawie wszystkie podstawowe reakcje między subatomowymi cząsteczkami wszechświata wyglądają tak samo, gdy są odwracane w lustrze. Odbicie lustrzane, zwane parzystością, mówi się wtedy, że jest symetryczne lub ma symetrię parzystości w mowie fizycznej.
Oczywiście nie wszyscy przestrzegają zasad. Wiemy, że na przykład reakcje dotyczące słabej siły jądrowej, która jest również dziwna z wielu innych powodów, narusza symetrię parzystości. Jest więc oczywiste, że inne siły i cząstki w świecie kwantowym również łamią reguły w tym obszarze.
Fizycy mają pewne poglądy na temat tych innych hipotetycznych reakcji, które nie wyglądałyby tak samo w lustrze, a zatem naruszałyby symetrię parzystości. Te dziwne reakcje mogą skierować nas w stronę nowej fizyki, która może pomóc nam przejść obok Standardowego Modelu fizyki cząstek, naszego obecnego podsumowania wszystkich rzeczy subatomowych.
Niestety, nigdy nie zobaczymy większości tych dziwnych reakcji w naszych niszczycielach atomów i laboratoriach. Interakcje są po prostu zbyt rzadkie i słabe, aby wykryć je za pomocą naszych instrumentów, które są dostosowane do innych rodzajów interakcji. Ale mogą istnieć rzadkie wyjątki. Badacze największego na świecie niszczyciela atomów, Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), położonego niedaleko Genewy, polowali na te rzadkie interakcje. Do tej pory wymyślili z pustymi rękami, ale nawet ten wynik jest pouczający. Te negatywne wyniki pomagają wyeliminować bezowocne hipotezy, umożliwiając fizykom skupienie się na bardziej obiecujących drogach w poszukiwaniu nowej fizyki.
Lustro lustro na ścianie
Jednym z najważniejszych pojęć w całej fizyce jest symetria. Można nawet zasadnie argumentować, że fizycy to po prostu łowcy symetrii. Symetrie ujawniają podstawowe prawa natury, które rządzą najgłębszymi działaniami rzeczywistości. Symetria to wielka sprawa.
Więc co to jest? Symetria oznacza, że jeśli zmienisz jeden element w procesie lub interakcji, proces pozostanie taki sam. Fizycy mówią następnie, że proces jest symetryczny w odniesieniu do tej zmiany. Celowo jestem tutaj niejasny, ponieważ istnieje wiele różnych rodzajów symetrii. Na przykład, czasami możesz zmienić znak ładunków na cząstkach, czasem możesz uruchomić procesy do przodu lub do tyłu w czasie, a czasem możesz uruchomić proces odbicia lustrzanego procesu.
Ten ostatni, patrząc na proces w lustrze, nazywa się symetrią parzystości. Większość interakcji subatomowych w fizyce daje dokładnie taki sam wynik, niezależnie od tego, czy są wykonywane bezpośrednio przed tobą, czy w lustrze. Jednak niektóre interakcje naruszają tę symetrię, na przykład słabą siłę jądrową, szczególnie gdy neutrina powstają w interakcjach z tą siłą.
Neutrina zawsze obracają się „do tyłu” (innymi słowy, oś ich obrotu wiruje w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu), podczas gdy antyneutrina obracają się „do przodu” (ich oś obrotu wiruje prosto przed sobą, gdy latają). Oznacza to, że istnieją bardzo subtelne różnice w liczbie neutrin i antyneutrin wytwarzanych podczas regularnego eksperymentu w porównaniu z eksperymentem z lustrzanym odbiciem, który opiera się na słabej sile jądrowej.
Rozbite lustra
O ile wiemy, słaba siła nuklearna i sama słaba siła nuklearna narusza symetrię parytetu. Ale może nie jest sam.
Wiemy, że fizyka wykraczająca poza to, co obecnie rozumiemy, musi istnieć. Niektóre z tych hipotetycznych idei i pojęć naruszają również symetrię parytetu. Na przykład niektóre z tych teorii przewidują subtelne asymetrie w interakcjach normalnych, które dotyczą rodzajów cząstek, które zwykle bada LHC.
Oczywiście te hipotetyczne pomysły są egzotyczne, złożone i bardzo trudne do przetestowania. W wielu przypadkach nie jesteśmy pewni, czego szukamy.
Problem polega na tym, że chociaż wiemy, że nasza obecna koncepcja świata cząstek, zwana Modelem Standardowym, jest niepełna, nie wiemy, gdzie szukać jej zastąpienia. Wielu fizyków miało nadzieję, że LHC ujawni coś - nową cząsteczkę, nową interakcję, cokolwiek w ogóle - co wskaże nam coś nowego i ekscytującego, ale jak dotąd wszystkie te poszukiwania zakończyły się niepowodzeniem.
Wiele wcześniejszych teorii wiodących do tego, co wykracza poza model standardowy (np. Supersymetria), jest powoli wykluczanych. W tym przypadku przydatne może być naruszenie symetrii parzystości.
Prawie wszystkie popularne hipotetyczne rozszerzenia Modelu Standardowego obejmują ograniczenie, że tylko słaba siła jądrowa narusza symetrię parzystości. (Jest to wpisane w podstawową matematykę modeli, na wypadek gdybyś zastanawiał się, jak to działa.) Oznacza to, że pojęcia takie jak supersymetria, osie i leptoquarki utrzymują tę symetrię w miejscu, w którym się znajduje, i nigdzie indziej.
Ale spójrzcie, ludzie, jeśli te powszechne rozszerzenia się nie sprawdzają, może czas poszerzyć nasze horyzonty.
Pozbycie się parytetu
Z tego powodu zespół naukowców szukał naruszeń parzystości w buforze danych opublikowanym w eksperymencie Compact Muon Solenoid (CMS) w LHC; szczegółowo opisali swoje wyniki w badaniu opublikowanym 29 kwietnia na serwerze preprint arXiv. To było dość trudne wyszukiwanie, ponieważ LHC tak naprawdę nie jest skonfigurowane do wyszukiwania naruszeń parzystości. Ale naukowcy sprytnie wymyślili sposób, aby to zrobić, badając resztki w interakcjach między innymi cząsteczkami.
Wynik: nie znaleziono wskazówek dotyczących naruszenia parzystości. Brawo dla modelu standardowego (ponownie). Choć nieco rozczarowujące jest to, że badania te nie otworzyły nowej granicy fizyki, pomogą wyjaśnić przyszłe poszukiwania. Jeśli nadal będziemy poszukiwać i nadal nie będziemy wykazywać dowodów na naruszenie parzystości poza słabą siłą jądrową, to wiemy, że wszystko, co wykracza poza model standardowy, musi mieć niektóre z tych samych struktur matematycznych, co ta podstawowa teoria, i pozwolić tylko słabej sile jądrowej na inaczej wyglądają w lustrze.
