A részecskefizika irányadó elmélete mindent megmagyaráz a szubatómiai világról ... kivéve azokat a részeket, amelyek nem. És sajnos nincs sok hízelgő melléknév, amelyeket alkalmazni lehet az úgynevezett standard modellre. Az évtizedek folyamán apránként felépített alapvető fizika ezt az elméletet leginkább ungainly, hodgepodge és MacGyver-ed-nek, húrokkal és rágógumival együtt jellemezhetik.
Ennek ellenére hihetetlenül nagy teljesítményű modell, amely pontosan megjósolja az interakciók és folyamatok hatalmas változatosságát.
De van néhány nyilvánvaló hiányossága: Nem tartalmazza a gravitációt; nem magyarázza különféle részecskék tömegét, amelyek közül néhány erőt ad; nincs magyarázata bizonyos neutrino viselkedésre; és egyenesen nem válaszol a sötét anyag létezésére.
Tehát ki kell találnunk valamit. A világegyetem jobb megértése érdekében túl kell lépnünk a szabványos modellen.
Sajnos sok vezető versenyző, aki ezt a nagy túllépést magyarázza - szuperszimmetrikus elméleteknek nevezik - az utóbbi években kizárták vagy súlyosan korlátozottak. Még mindig van egy Hail Mary koncepció, amely megmagyarázhatja a világegyetem titokzatos részeit, amelyeket a standard modell nem fed le: Hosszú életű szuperszimmetrikus részecskék, amelyeket röviden részben szpartikoknak hívnak. De nyomasztó módon ezeknek a furcsalabda részecskéknek a közelmúltbeli kutatása üres kézzel történt.
Nem szuper szimmetria
A jelenlegi szabványmodell határain túlmutató legtrendibb elméletek halmazát szupszimmetria néven ismert ötletosztályba csoportosítják. Ezekben a modellekben a természetben lévő részecskék két fő táborának ("bozonok", mint például az ismert fotonok és "fermionok" - például elektronok, kvarkok és neutrinók) valójában furcsa testvéri kapcsolat van. Minden egyes bozonnak van partnere a fermion világában, és hasonlóan minden fermionnak is van egy bozon barátja, aki a sajátját hívhatja.
Ezen partnerek egyike (vagy helyesebben a részecskefizika zavaros zsargonjában - "szuperpartnerek") nem tartozik az ismert részecskék normál családjába. Ehelyett általában sokkal, sokkal nehezebbek, idegenek és általában furcsább kinézetűek.
Az ismert részecskék és azok szuperpartnerei közötti tömegkülönbség a szimmetria-törésnek nevezett folyamat eredménye. Ez azt jelenti, hogy nagy energiák esetén (mint például a részecskegyorsítók belső felületei) a részecskék és partnereik közötti matematikai viszonyok egyenletes tengelyen vannak, és egyenlő tömegekhez vezetnek. Alacsony energiák esetén (mint például a normál, mindennapi életben tapasztalható energiaszintek) azonban ez a szimmetria megsérül, és a partner részecskéinek tömege az ég felé halad. Ez a mechanizmus fontos, mivel ez valószínűleg megmagyarázza azt is, hogy például miért van a gravitáció ennél sokkal gyengébb, mint a többi erő. A matematika csak egy kicsit bonyolult, de a rövid változat ez: Valami megtört az univerzumban, aminek eredményeként a normál részecskék drasztikusan kevésbé masszivá váltak, mint a szuperpartnereik. Ugyanez a töréshatás megbüntette a gravitációt, csökkentve annak erejét a többi erőhöz képest. Klassz.
Sokáig élni és boldogulni
A szuperszimmetria vadászatához egy csomó fizikus aprította be és építette a Nagy Hadron Összecsapó nevű atomerősítőt, amely évek óta tartó fárasztó kutatások után meglepő, de kiábrándító következtetésre jutott, hogy szinte minden szuperszimmetria modell hibás.
Hoppá.
Egyszerűen fogalmazva: nem találunk partnerrészecskéket. Nulla. Zilch. Nada. A világ legerősebb ütközőjében nem jelentek meg szuperszimmetria utalások, ahol a részecskéket egy kör alakú ellenanyag körül körbefuttatják közel fénysebességgel, mielőtt egymással ütköznének, ami néha egzotikus új részecskék előállításához vezet. Ez nem feltétlenül jelenti azt, hogy a szuperszimmetria helytelen, önmagában, de minden legegyszerűbb modellt kizártak. Ideje elhagyni a szuperszimmetriát? Talán, de lehet, hogy Üdvözöljük Mária: hosszú életű részecskék.
Általában a részecskefizika földjén minél tömeges vagy, annál instabilabb vagy, és annál gyorsabban egyszerűbb, könnyebb részecskékké bomlik. Csak így vannak a dolgok. Mivel a partnerrészecskék várhatóan nehézek lesznek (különben már láttuk volna őket), arra számítottuk, hogy azok gyorsan más dolgokra zuhannak, amelyeket esetleg felismerünk, és akkor ennek megfelelően felépítettük az érzékelőinket.
De mi lenne, ha a partner részecskék hosszú életűek lennének? Mi lenne, ha az egzotikus fizika valamiféle aprósága révén (adjon néhány órát gondolkodni az elméleti tudósoknak, és több mint elegendő aprítékot fognak feltenni, hogy megtörténjen), ezeknek a részecskéknek sikerül elmenekülniük detektorok határain, mielőtt kötelezően elbomlanak valami kevésbé furcsa? Ebben a forgatókönyvben a keresésünk teljesen üres lett volna, egyszerűen azért, mert nem voltunk elég messze. Detektorunkat nem úgy terveztük, hogy közvetlenül megkeressük ezeket a hosszú élettartamú részecskéket.
ATLAS a mentésre
Egy nemrégiben, az február 8-án közzétett, az arXiv preprint nyomtatószerveren közzétett cikkben az ATLAS (az A Toroidal LHC ApparatuS kissé kellemetlen rövidítése) együttműködésének tagjai a Nagy Hadron Colliderben ilyen hosszú élettartamú részecskék vizsgálatáról számoltak be. A jelenlegi kísérleti beállítással nem tudtak keresni minden lehetséges hosszú élettartamú részecskét, de képesek voltak keresni semleges részecskéket, amelyek tömege a protoné-tól 5 és 400-szorosa volt.
Az ATLAS csapata a hosszú élettartamú részecskéket nem az érzékelő közepén, hanem a szélein keresi, ami lehetővé tette a részecskéknek, hogy néhány centimétertől néhány méterig bárhol elhaladjanak. Ez valószínűleg nem tűnik túl messzire az emberi szabványok szempontjából, de a hatalmas, alapvető részecskék esetében ez ugyancsak az ismert világegyetem peremét képezheti.
Természetesen ez nem az első hosszú élettartású részecskék keresése, de ez a legátfogóbb, a szárazföldi kísérleti feljegyzések szinte teljes tömegét felhasználva a Nagy Hadron-ütköztetőn.
És a nagy eredmény: Semmi. Nulla. Zilch. Nada.
A hosszú élettartamú részecskék egyetlen jele.
Ez azt jelenti, hogy az ötlet is halott? Nem egészen - ezeket a hangszereket nem igazán úgy tervezték, hogy ilyen vadon élő vadállatokra vadászhassanak, és csak azzal kaparunk bennünket, amelyek rendelkeznek. Egy újabb generációt vehet igénybe, amelyet kifejezetten a hosszú életű részecskék csapdájához terveztek, mielőtt ténylegesen elkapnánk őket.
Vagy még depressziósabban: nem léteznek. És ez azt jelentené, hogy ezek a lények - szuperszimmetrikus partnereikkel együtt - valóban csak szellemek, amelyekről lázas fizikusok álmodtak, és amire valójában szükségünk van, egy teljesen új keretrendszer a modern fizika kiemelkedő problémáinak megoldására.
