Paul Sparks
0 
2347
238
Rządząca teoria fizyki cząstek elementarnych wyjaśnia wszystko o świecie subatomowym… z wyjątkiem części, których tak nie jest. I niestety nie ma wielu pochlebnych przymiotników, które można zastosować do tak zwanego modelu standardowego. Ta teoria fizyki fundamentalnej, budowana krok po kroku przez dziesięciolecia, jest najlepiej opisana jako niezgrabna, pomieszana i wymieszana z kawałkami sznurka i gumy do żucia..
Mimo to jest to niezwykle potężny model, który dokładnie przewiduje ogromną różnorodność interakcji i procesów.
Ale ma kilka rażących wad: nie zawiera grawitacji; nie może wyjaśnić masy różnych cząstek, z których niektóre nadają siłę; nie ma wyjaśnienia dla pewnych zachowań neutrin; i po prostu 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 tego wielkiego poza - zwanych teoriami supersymetrycznymi - zostało wykluczonych lub poważnie ograniczonych w ostatnich latach. Nadal istnieje koncepcja Zdrowaś Maryjo, która mogłaby wyjaśnić tajemnicze części wszechświata nieobjęte Modelem Standardowym: Długożyciowe cząstki supersymetryczne, czasami nazywane w skrócie cząstkami. Ale przygnębiające jest to, że ostatnie poszukiwania tych dziwacznych cząstek powróciły z pustymi rękami. [11 największych pytań bez odpowiedzi na temat ciemnej materii]
Nie tak super symetria
Zdecydowanie najmodniejszy zbiór teorii, które wykraczają poza granice obecnego Modelu Standardowego, są zgrupowane razem w klasę idei znaną jako supersymetria. W tych modelach dwa główne obozy cząstek w przyrodzie („bozony”, takie jak znane fotony; i „fermiony” - takie jak elektrony, kwarki i neutrina) mają w rzeczywistości dziwny rodzaj pokrewieństwa. Każdy bozon ma partnera w świecie fermionów i podobnie każdy fermion ma przyjaciela bozonu, którego może nazwać swoim własnym.
Żaden z tych partnerów (a właściwie w mylącym żargonie fizyki cząstek elementarnych - „superpartnerzy”) nie należy do normalnej rodziny znanych cząstek. Zamiast tego są zazwyczaj dużo, dużo cięższe, dziwniejsze i ogólnie dziwniej wyglądające.
Ta różnica masy między znanymi cząstkami a ich superpartnerami jest wynikiem czegoś, co nazywa się złamaniem symetrii. Oznacza to, że przy wysokich energiach (jak we wnętrzu akceleratorów cząstek) matematyczne relacje między cząstkami a ich partnerami są równe, co prowadzi do równych mas. Jednak przy niskich energiach (takich jak poziomy energii, których doświadczasz w normalnym, codziennym życiu), symetria ta zostaje złamana, powodując gwałtowny wzrost masy cząstek partnera. Mechanizm ten jest ważny, bo zdarza się też potencjalnie wyjaśniać, dlaczego na przykład grawitacja jest o wiele słabsza niż inne siły. Matematyka jest tylko odrobinę skomplikowana, ale w skrócie: coś pękło we wszechświecie, powodując, że normalne cząstki stały się drastycznie mniej masywne niż ich superpartnerzy. To samo zerwanie mogło ukarać grawitację, zmniejszając jej siłę w porównaniu z innymi siłami. Ładne. [6 dziwnych faktów o grawitacji]
Żyj długo i szczęśliwie
Aby polować na supersymetrię, grupa fizyków włączyła i zbudowała niszczyciel atomów zwany Wielkim Zderzaczem Hadronów, który po latach żmudnych poszukiwań doszedł do zaskakującego, ale rozczarowującego wniosku, że prawie wszystkie modele supersymetrii były błędne.
Ups.
Mówiąc najprościej, nie możemy znaleźć żadnych cząstek partnerskich. 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 zderzają się ze sobą, co czasami prowadzi do produkcji egzotycznych nowych cząstek. Niekoniecznie oznacza to, że supersymetria jest zła sama w sobie, ale wszystkie najprostsze modele zostały teraz wykluczone. Czy nadszedł czas, aby porzucić supersymetrię? Może, ale może być Zdrowaś Mario: długowieczne cząsteczki.
Zwykle w świecie fizyki cząstek elementarnych im masywniejszy jesteś, tym bardziej jesteś niestabilny i szybciej rozpadniesz się na prostsze, lżejsze cząstki. Po prostu tak jest. Ponieważ oczekuje się, że wszystkie cząstki partnerskie będą ciężkie (w przeciwnym razie widzielibyśmy je do tej pory), spodziewaliśmy się, że szybko rozpadną się w strumienie innych rzeczy, które moglibyśmy rozpoznać, a następnie odpowiednio zbudowalibyśmy nasze detektory.
Ale co by było, gdyby cząstki partnerskie były długowieczne? Co jeśli, dzięki jakimś dziwactwom egzotycznej fizyki (daj teoretykom kilka godzin na przemyślenie, a wymyślą więcej niż wystarczającą liczbę dziwactw, aby to się stało), cząstki te zdołają uciec z ograniczeń naszych detektorów, zanim posłusznie się rozpadną w coś mniej dziwnego? W tym scenariuszu nasze wyszukiwania byłyby całkowicie puste, po prostu dlatego, że nie szukaliśmy wystarczająco daleko. Ponadto nasze detektory nie są zaprojektowane do bezpośredniego wyszukiwania tych długożyciowych cząstek.
ATLAS na ratunek
W niedawnym artykule opublikowanym w Internecie 8 lutego na serwerze preprint arXiv, członkowie zespołu ATLAS (nieco niezręczne określenie A Toroidal LHC ApparatuS) współpracujący z Wielkim Zderzaczem Hadronów donieśli o dochodzeniu w sprawie takich długowiecznych cząstek. Przy obecnej konfiguracji eksperymentalnej nie byli w stanie znaleźć każdej możliwej długowiecznej cząstki, ale byli w stanie znaleźć neutralne cząstki o masach od 5 do 400 razy większej niż proton.
Zespół ATLAS szukał długowiecznych cząstek nie w środku detektora, ale na jego krawędziach, co pozwoliłoby cząstkom na przemieszczanie się od kilku centymetrów do kilku metrów. To może nie wydawać się zbyt odległe w odniesieniu do ludzkich standardów, ale w przypadku masywnych, fundamentalnych cząstek równie dobrze może to być krawędź znanego wszechświata.
Oczywiście nie jest to pierwsze poszukiwanie długowiecznych cząstek, ale jest to najbardziej wszechstronne, wykorzystujące prawie całą masę rekordów eksperymentalnych w Wielkim Zderzaczu Hadronów..
I wielki wynik: nic. Zero. Zilch. Nada.
Ani śladu jakichkolwiek długowiecznych cząstek.
Czy to oznacza, że pomysł też jest martwy? Niezupełnie - te instrumenty nie zostały tak naprawdę zaprojektowane do polowania na tego rodzaju dzikie bestie, a my korzystamy tylko z tego, co mamy. Może zajść potrzeba kolejnej generacji eksperymentów specjalnie zaprojektowanych do wychwytywania długowiecznych cząstek, zanim faktycznie je złapiemy.
Albo, co bardziej przygnębiające, one nie istnieją. A to oznaczałoby, że te stworzenia - wraz z ich supersymetrycznymi partnerami - są tak naprawdę duchami wymyślonymi przez gorączkowych fizyków, a to, czego tak naprawdę potrzebujemy, to zupełnie nowe ramy do rozwiązania niektórych wybitnych problemów współczesnej fizyki..
- Wacky Physics: Najfajniejsze małe cząsteczki w przyrodzie
- Zdjęcia / s: Największy na świecie niszczyciel atomów (LHC)
- 11 największych pytań bez odpowiedzi na temat ciemnej materii
Pierwotnie opublikowano w dniu .
Paul M. Sutter jest astrofizykiem w Uniwersytet Stanowy Ohio, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Space Radio, i autor Twoje miejsce we Wszechświecie.