Vladajoča teorija fizike delcev razlaga vse o subatomskem svetu… razen delov, ki jih ne. In na žalost ni veliko laskavih pridevnikov, ki bi jih bilo mogoče uporabiti pri ti standardnem modelu. Ta teorija temeljne fizike, ki jo je skozi desetletja sestavila malo za dnem, je najbolje opisati kot neprimerno, mešanico in MacGyver-ed skupaj s koščki vrvice in žvečilnimi gumi.
Kljub temu gre za neverjetno močan model, ki natančno napoveduje ogromno različnih interakcij in procesov.
Ima pa nekaj očitnih pomanjkljivosti: ne vključuje gravitacije; ne more razložiti mase različnih delcev, od katerih nekateri dajejo silo; nima razlage za določeno nevtrino vedenje; in naravnost nima odgovora za obstoj temne snovi.
Torej, moramo nekaj ugotoviti. Za boljše razumevanje našega vesolja moramo preseči standardni model.
Na žalost je veliko vodilnih kandidatov za razlago tega velikega presežka - imenovanih super-simetričnih teorij - v zadnjih letih izključeno ali močno omejeno. Še vedno obstaja koncept Hail Mary, ki bi lahko razložil skrivnostne dele vesolja, ki jih Standardni model ne zajema: Dolgoživeči super-simetrični delci, ki jih včasih imenujemo na kratko. A depresivno se je nedavno iskanje teh čudnih delcev vrnilo praznih rok.
Ne preveč super simetrija
Daleč najsodobnejši sklop teorij, ki gredo čez meje trenutnega standardnega modela, so združeni v razred idej, znan kot superpersimetrija. V teh modelih imata dva glavna tabora delcev v naravi ("bozoni", kot so znani fotoni in "fermioni" - kot elektroni, kvarki in nevtrini) pravzaprav nenavaden odnos. Vsak posamezni bozon ima partnerja v svetu fermion in prav tako ima vsak fermion prijatelja bozona, ki ga lahko pokliče po svoje.
Noben od teh partnerjev (ali bolj primerno v zmedenem žargonu fizike delcev - "superpartnerji") ni med normalno družino znanih delcev. Namesto tega so običajno veliko, veliko težji, neznanci in na splošno bolj čudni.
Ta razlika v masi med znanimi delci in njihovimi superpartnerji je posledica nečesa, ki se imenuje lom simetrije. To pomeni, da so matematični odnosi med delci in njihovimi partnerji pri visoki energiji (podobno kot notranjost pospeševalcev delcev) enakomerni, kar vodi do enakih mas. Pri nizkih energijah (kot so energijske ravni, ki jih doživljate v običajnem, vsakdanjem življenju) pa se ta simetrija poruši, tako da partnerske mase delcev naraščajo. Ta mehanizem je pomemben, saj lahko tudi potencialno razloži, zakaj je na primer gravitacija toliko šibkejša od drugih sil. Matematika je le majhen zaplet, vendar je kratka različica taka: v vesolju se je nekaj zlomilo, zaradi česar so normalni delci postali drastično manj masivni kot njihovi superpartnerji. To isto lomilno dejanje je lahko kaznovalo težo in zmanjšalo njegovo moč glede na druge sile. Nifty.
Živeti dolgo in uspešno
Za lov na super-simetrijo se je kup fizikov zrezal in sestavil atom za razbijanje atomov, imenovan Veliki hadronski trkalnik, ki je po dolgih letih napornih iskanj prišel do presenetljivega, a razočarajočega zaključka, da so bili skoraj vsi modeli superpersimetrije napačni.
Ups.
Preprosto povedano, ne najdemo nobenih delcev partnerja. Nič. Zilch. Nada. Na najzmogljivejšem trkalniku na svetu se ni pojavilo nobene namige o super-simetriji, kjer se delci zadržijo okoli krožne kontracepcije pri skoraj svetlobni hitrosti, preden se med seboj trčijo, kar včasih povzroči nastanek eksotičnih novih delcev. To ne pomeni nujno, da je supersimetrija sama po sebi napačna, vendar so zdaj izključeni vsi najpreprostejši modeli. Ali je čas, da opustimo superpersimetrijo? Mogoče, ampak morda bo Zdrava Marija: dolgoživi delci.
Običajno ste v deželi fizike delcev bolj množični, bolj nestabilni in hitrejši boste razpadli v enostavnejše in lažje delce. Je pač tako, kot so stvari. Ker se pričakuje, da bodo delci partnerja težki (sicer bi jih videli že do zdaj), smo pričakovali, da bodo hitro razpadli v tuše drugih stvari, ki jih bomo morda prepoznali, in potem bi v skladu s tem zgradili svoje detektorje.
Kaj pa, če bi bili delci partnerja dolgoživi? Kaj pa, če s pomočjo čudežev eksotične fizike (teoretikom dajte nekaj ur, da razmislijo, in bodo izmislili več kot dovolj previdnosti, da se to zgodi), tem delcem uspe pobegniti od meja naših detektorjev, preden se pred razlago razkrojijo. v nekaj manj čudnega? V tem scenariju bi naša iskanja prišla popolnoma prazna, preprosto zato, ker ne bi bili videti dovolj daleč. Naši detektorji tudi niso zasnovani tako, da bi lahko iskali neposredno te dolgožive delce.
ATLAS na pomoč
V nedavnem prispevku, objavljenem na spletu 8. februarja na strežniku za tisk arXiv, so člani ATLAS (nekoliko nerodna okrajšava za A Toroidal LHC ApparatuS) na Velikem hadronskem trkalniku poročali o preiskavi takšnih dolgoživih delcev. S sedanjo eksperimentalno postavitvijo niso mogli iskati vseh možnih dolgoživih delcev, vendar so lahko iskali nevtralne delce z maso med 5 in 400-krat večjo od protona.
Ekipa ATLAS je iskala dolgožive delce, ki niso v središču detektorja, temveč na njegovih robovih, zaradi česar bi delci lahko potovali kamor koli od nekaj centimetrov do nekaj metrov. To se v človeških standardih morda ne zdi zelo daleč, toda za množične, temeljne delce je to morda rob znanega vesolja.
Seveda to ni prvo iskanje dolgoživih delcev, vendar je najobsežnejše, pri čemer uporabimo skoraj vso težo obremenitev eksperimentalnih zapisov na Velikem hadronskem trkalniku.
In velik rezultat: Nič. Nič. Zilch. Nada.
Niti enega znaka nobenih dolgoživih delcev.
Ali to pomeni, da je tudi ideja mrtva? Ne ravno - ti instrumenti v resnici niso bili zasnovani za lov na tovrstne divje zveri, ampak gremo le s tem, kar imamo. Morda bo potrebna še ena generacija eksperimentov, zasnovanih posebej za lovljenje dolgoživih delcev, preden jih dejansko ujamemo.
Ali, bolj depresivno, ne obstajajo. In to bi pomenilo, da so ta bitja - skupaj s svojimi super-simetričnimi partnerji - res samo duhovi, o katerih so sanjali vročinski fiziki, in kar dejansko potrebujemo, je povsem nov okvir za reševanje nekaterih izjemnih problemov sodobne fizike.
