Obowiązująca teoria fizyki cząstek wyjaśnia wszystko o świecie subatomowym… z wyjątkiem części, których nie ma. I niestety nie ma wielu pochlebnych przymiotników, które można by zastosować do tak zwanego Modelu Standardowego. Teorię fizyki fundamentalnej, budowaną stopniowo przez dziesięciolecia, najlepiej opisać jako niezgrabną, hodgepodge i MacGyver wraz z kawałkami sznurka i gumy do żucia.
Mimo to jest to niezwykle potężny model, który dokładnie przewiduje ogromną różnorodność interakcji i procesów.
Ale ma pewne rażące niedociągnięcia: nie obejmuje grawitacji; nie może wyjaśnić mas różnych cząstek, z których niektóre nadają siłę; nie ma wyjaśnienia dla niektórych zachowań neutrin; i od razu nie ma odpowiedzi na istnienie ciemnej materii.
Więc musimy coś wymyślić. Musimy wyjść poza Model Standardowy, aby lepiej zrozumieć nasz wszechświat.
Niestety, wielu wiodących pretendentów do wyjaśnienia tej wielkiej wykroczenia - zwanych teoriami supersymetrycznymi - zostało wykluczonych lub poważnie ograniczonych w ostatnich latach. Istnieje jednak koncepcja Zdrowaś Mario, która mogłaby wyjaśnić tajemnicze części wszechświata nieobjęte Modelem Standardowym: długotrwałe supersymetryczne cząstki, zwane czasami w skrócie cząsteczkami. Ale przygnębiające, ostatnie poszukiwania tych dziwacznych cząstek powróciły z pustymi rękami.
Niezbyt super symetria
Zdecydowanie najmodniejszy zestaw teorii przekraczających granice obecnego Modelu Standardowego jest pogrupowany w klasę pomysłów znanych jako supersymetria. W tych modelach dwa główne obozy cząstek w naturze („bozony”, takie jak znajome fotony oraz „fermiony” - jak elektrony, kwarki i neutrina) faktycznie mają dziwny związek rodzeństwa. Każdy bozon ma partnera w świecie fermionów, a także każdy fermion ma przyjaciela bozonu, który nazwałby swojego.
Żaden z tych partnerów (lub bardziej odpowiednio w mylącym żargonie fizyki cząstek elementarnych - „superpartnerzy”) nie należy do normalnej rodziny znanych cząstek. Zamiast tego są zazwyczaj dużo, znacznie cięższe, dziwniejsze i ogólnie dziwniejsze.
Ta różnica masy między znanymi cząsteczkami i ich superpartnerami wynika z czegoś, co nazywa się łamaniem symetrii. Oznacza to, że przy wysokich energiach (takich jak wnętrze akceleratorów cząstek) matematyczne relacje między cząsteczkami i ich partnerami utrzymują się na równym kilu, co prowadzi do równych mas. Jednak przy niskich energiach (takich jak poziomy energii, których doświadczasz w normalnym, codziennym życiu) ta symetria jest zerwana, co powoduje, że masa cząstek partnera gwałtownie rośnie. Mechanizm ten jest ważny, ponieważ zdarza się również, że potencjalnie wyjaśnia, dlaczego na przykład grawitacja jest o wiele słabsza niż inne siły. Matematyka jest tylko trochę skomplikowana, ale krótka wersja jest taka: coś we wszechświecie pękło, powodując, że normalne cząsteczki stały się drastycznie mniej masywne niż ich superpartnerzy. To samo zerwanie mogło ukarać grawitację, zmniejszając jej siłę w stosunku do innych sił. Fajne
Żyj długo i szczęśliwie
Aby polować na supersymetrię, grupa fizyków włączyła się i zbudowała narzędzie do niszczenia atomów o nazwie Wielki Zderzacz Hadronów, który po latach żmudnych poszukiwań doszedł do zaskakującego, ale rozczarowującego wniosku, że prawie wszystkie modele supersymetrii były błędne.
Ups
Krótko mówiąc, nie możemy znaleźć żadnych cząstek partnera. Zero. Zilch. Nada. Żadne ślady supersymetrii nie pojawiły się w najpotężniejszym zderzaczu na świecie, w którym cząstki są zapinane wokół okrągłego urządzenia z prędkością bliską prędkości światła, zanim zderzą się ze sobą, co czasami powoduje wytwarzanie nowych egzotycznych cząstek. Nie musi to oznaczać, że supersymetria jest błędna per se, ale wszystkie najprostsze modele zostały obecnie wykluczone. Czy już czas porzucić supersymetrię? Może, ale może być Zdrowaś Mario: długo żyjące cząsteczki.
Zwykle w krainie cząstek elementarnych im większa masa, tym bardziej niestabilny i tym szybciej rozpadasz się na prostsze, lżejsze cząstki. Tak po prostu jest. Ponieważ oczekuje się, że wszystkie cząstki partnera będą ciężkie (w przeciwnym razie do tej pory byśmy je widzieli), spodziewaliśmy się, że szybko rozpadną się na deszcz innych rzeczy, które możemy rozpoznać, a następnie odpowiednio zbudujemy nasze detektory.
Ale co, jeśli cząstki partnera byłyby długotrwałe? Co się stanie, jeśli dzięki dziwactwu egzotycznej fizyki (daj teoretykom kilka godzin na przemyślenie tego, a wymyślą więcej niż wystarczająco dziwactw, aby to się stało), cząsteczki te zdołają uciec z granic naszych detektorów, zanim ulegną rozkładowi w coś mniej dziwnego? W tym scenariuszu nasze wyszukiwania byłyby całkowicie puste, po prostu dlatego, że nie patrzyliśmy wystarczająco daleko. Ponadto nasze detektory nie są zaprojektowane tak, aby móc bezpośrednio szukać tych długowiecznych cząstek.
ATLAS na ratunek
W niedawnym artykule opublikowanym online 8 lutego na serwerze preprint arXiv członkowie ATLAS (nieco niezręczne określenie współpracy z toroidalnymi aparatami LHC) w Large Hadron Collider zgłosili dochodzenie w sprawie tak długo żyjących cząstek. Przy obecnym układzie eksperymentalnym nie byli w stanie wyszukać każdej możliwej długowiecznej cząstki, ale byli w stanie poszukiwać neutralnych cząstek o masie od 5 do 400 razy większej niż proton.
Zespół ATLAS szukał cząstek długowiecznych nie w centrum detektora, ale na jego krawędziach, które pozwoliłyby cząsteczkom na przemieszczanie się w dowolnym miejscu od kilku centymetrów do kilku metrów. To może nie wydawać się bardzo dalekie w kategoriach ludzkich standardów, ale w przypadku masywnych, fundamentalnych cząstek może równie dobrze stanowić krawędź znanego wszechświata.
Oczywiście nie jest to pierwsze poszukiwanie cząstek długowiecznych, ale jest najbardziej wszechstronne, wykorzystując prawie pełną masę eksperymentalnych zapisów w Wielkim Zderzaczu Hadronów.
I wielki wynik: nic. Zero. Zilch. Nada.
Ani jednego śladu długowiecznych cząstek.
Czy to oznacza, że ten pomysł też nie żyje? Niezupełnie - te instrumenty nie były tak naprawdę zaprojektowane do polowania na tego rodzaju dzikie bestie, a my tylko ocieramy się o to, co mamy. Może zajść kolejna generacja eksperymentów specjalnie zaprojektowanych w celu uwięzienia długotrwałych cząstek, zanim faktycznie złapiemy jedną.
Lub, co bardziej przygnębiające, nie istnieją. Oznaczałoby to, że te stworzenia - wraz ze swoimi supersymetrycznymi partnerami - są tak naprawdę tylko duchami wymyślonymi przez gorączkowych fizyków, a to, czego naprawdę potrzebujemy, to zupełnie nowe ramy do rozwiązania niektórych wybitnych problemów współczesnej fizyki.
