Παρασκευή, 30 Ιουνίου 2017

Προσμονή για Νέα Φυσική στο CERN, στην μετά-Higgs εποχή


Ουδέν νεώτερο από το μέτωπο του LHC

Οι φυσικοί που δουλεύουν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) ψάχνουν ενδείξεις για μια θεωρία που θα απαντήσει στα βαθύτερα ερωτήματα σχετικά με το σύμπαν. Αλλά η σιωπή από το μέτωπο είναι δυσοίωνη.
Η μεγαλύτερη και πιο ακριβή μηχανή του κόσμου επαναλειτουργεί. Κάτω από τους αγρούς και τα εμπορικά κέντρα στα Γαλλο-Ελβετικά σύνορα, έξω από την Γενεύη, στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, τα σωματίδια που είναι γνωστά ως πρωτόνια επιταχύνονται σε μια υπόγεια κυκλική σήραγγα σχεδόν μέχρι την ταχύτητα του φωτός, και συγκρούονται μεταξύ τους ανα-δημιουργώντας τις συνθήκες που επικρατούσαν όταν το σύμπαν είχε ηλικία ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου.Περίπου 5000 φυσικοί εργάζονται ακατάπαυστα στο CERN, τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Πυρηνικών Ερευνών, παρακολουθώντας τους υπολογιστές τους να κοσκινίζουν τα συντρίμμια των συγκρούσεων των πρωτονίων, ψάχνοντας νέα σωματίδια και νέες δυνάμεις της φύσης, και σχεδιάζουν να συνεχίσουν την έρευνα αυτή τουλάχιστον για τα επόμενα 20 χρόνια.
Η επιστήμη χτυπάει στην πόρτα του παραδείσου, όπως το έθεσε η φυσικός Lisa Randall στο σχετικό με την σωματιδιακή φυσική βιβλίο της , εμπνεόμενη από τον τραγουδοποιό της ροκ μουσικής και νομπελίστα Bob Dylan.
Τι γίνεται όμως αν δεν απαντήσει κανείς; Τι γίνεται αν εκεί δεν υπάρχει τίποτε νέο για να ανακαλυφθεί; Αυτή η προοπτική κρέμεται τώρα σαν δαμόκλειος σπάθη πάνω από την κοινότητα της φυσικής.
Έχουν περάσει πέντε χρόνια και περισσότερες από επτά τετράκις εκατομμύρια συγκρούσεις πρωτονίων από το 2012, όταν ο επιταχυντής LHC ανακάλυψε το μποζόνιο Higgs, το σωματίδιο που εξηγεί πως κάποια άλλα στοιχειώδη σωματίδια αποκτούν μάζα. Αυτό το μεγάλο επίτευγμα ολοκλήρωσε ένα οικοδόμημα εξισώσεων που ονομάζεται Καθιερωμένο Πρότυπο, κλείνοντας ένα σημαντικό κεφάλαιο στη φυσική.
Ένα «καρούμπαλο» που εμφανίστηκε στα δεδομένα του LHC το 2015, υπαινισσόταν την ανίχνευση ενός νέου σωματιδίου και ενέπνευσε την συγγραφή πολλών θεωρητικών εργασιών … τελικά όμως υπέκυψε στον θόρυβο του υποβάθρου και εξαφανίστηκε ως μια στατιστική διακύμανση χωρίς καμία φυσική σημασία.

Στατιστικό λάθος αντί για νέο σωματίδιο

Έκτοτε, η σιωπή από τα τούνελ του LHC είναι ανησυχητική.
Σύμφωνα με τον Adam Falkowski, έναν θεωρητικό φυσικό των στοιχειωδών σωματιδίων στο εργαστήριο θεωρητικής φυσικής του Orsay, «τα συναισθήματα που κυριαρχούν είναι στην καλύτερη περίπτωση σύγχυση και στην χειρότερη κατάθλιψη».
«Αυτές είναι δύσκολες στιγμές για τους θεωρητικούς», λέει ο Gian Giudice, θεωρητικός φυσικός στο CERN. «Οι ελπίδες μας φαίνεται να έχουν θρυμματιστεί. Δεν βρήκαμε αυτό που θέλαμε».
Αυτό που αναζητούσαν οι φυσικοί τα τελευταία 30 χρόνια, ήταν ένα οποιοδήποτε σημάδι του φαινομένου που ονομάζεται υπερσυμμετρία, το οποίο όμως παραμένει απρόσιτο μέχρι σήμερα σαν ένα χρυσό μήλο, μια υπόσχεση της κρυμμένης μαθηματικής ομορφιάς στον πυρήνα της πραγματικότητας.
Θεωρητικοί φυσικοί στην δεκαετία του 1970 διατύπωσαν τις αρχές μεταξύ των σωματιδίων που μεταφέρουν τις δυνάμεις (όπως για παράδειγμα το φωτόνιο που μεταφέρει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη), και των στοιχειωδών σωματιδίων της ύλης, τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκς.
Αν η θεωρία της υπερσυμμετρίας είναι σωστή, τότε πρέπει να ανακαλυφθεί ένα σύνολο νέων στοιχειωδών σωματιδίων, οι υπερ-συμμετρικοί σύντροφοι των κουάρκς, των ηλεκτρονίων και των άλλων σωματιδίων που ήδη γνωρίζουμε και αγαπάμε.
Επιπλέον, νέφη από αυτά τα σωματίδια που απέμειναν από την Μεγάλη Έκρηξη, θα μπορούσαν να αποτελούν την μυστηριώδη σκοτεινή ύλη, η οποία πρέπει να συνιστά το ένα τέταρτο το σύμπαντος και της οποίας η βαρυτική έλξη ελέγχει τις τύχες των γαλαξιών.
Ένας «φυσικός» στο γραφείο του John Ellis στιο CERN. Susy σημαίνει supersymmetry (υπερσυμμετρία). Credit Leslye Davis/The New York Times

Στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων δέσμες πρωτονίων με ταχύτητες που τείνουν προς την ταχύτητα του φωτός συγκρούονται μεταξύ τους, ανα-δημιουργώντας έτσι τις συνθήκες που επικρατούσαν κατά την Μεγάλη Έκρηξη. Οποιεσδήποτε μορφές ύλης δημιουργήθηκαν στις πρώτες στιγμές ύπαρξης του σύμπαντος, μπορούν να επανεμφανιστούν και να αφήσουν τα ίχνη τους στους τεράστιους ανιχνευτές του LHC.
Κάθε φορά που αυξάνεται λίγο περισσότερο ενέργεια των συγκρούσεων των πρωτονίων δημιουργούνται πρωτόγνωρες και οι φυσικοί πλησιάζουν περισσότερο στην αρχή του χρόνου, αγγίζοντας λίγο το μαθηματικό κόκκαλο της πραγματικότητας.
Ο LHC σχεδιάστηκε για να πραγματοποιεί συγκρούσεις μεταξύ δεσμών πρωτονίων, με ενέργεια επτά τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ η κάθε μία, πηγαίνοντας πίσω στον χρόνο, στα πρώτα τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Αυτό ήταν αρκετό, και οι φυσικοί το ήξεραν, για να ανακαλυφθεί το μποζόνιο Χιγκς ή να αποδειχθεί πως η υπόθεσή του ήταν λάθος.
Πολλοί θεωρητικοί έλπιζαν ότι θα εμφανίζονταν επίσης και τα υπερσυμμετρικά σωματίδια. Πράγματι, τα μυστηριώδη σωματίδια, σύμφωνα με ορισμένες εκδοχές της θεωρίας, θα έπρεπε να έχουν εμφανιστεί και στα πειράματα των προ-LHC επιταχυντών.
Το 1993 η εφημερίδα New York Times είχε δημοσιεύσει ένα άρθρο, σύμφωνα με το οποίο, 315 φυσικοί αναφέρουν την αποτυχία στην αναζήτηση της υπερσυμμετρίας.
Τελικά, η αποτυχία συνεχίζεται μέχρι σήμερα. Toν περασμένο Μάιο, μια νέα ανάλυση από τους 3000 φυσικούς που ελέγχουν τον μεγάλο ανιχνευτή ATLAS (έναν από τους δυο μεγάλους ανιχνευτές στην σήραγγα του CERN) δεν ανέφερε καμία ένδειξη για υπερσυμμετρικά σωματίδια με μάζες έως 2 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ.
Ο ανιχνευτής Atlas στο CERN, που βοήθησε τους επιστήμονες να ξεσκεπάσουν το μποζόνιο Higgs πριν από πέντε χρόνια. Credit Leslye Davis/The New York Times
Εν τω μεταξύ, άλλα πειράματα, με όλο και αυξανόμενη ευαισθησία προσπαθούν να εντοπίσουν τα υποθετικά σωματίδια της σκοτεινής ύλης που κυκλοφορούν στο διάστημα (και διασχίζουν το σώμα μας) δεν έχουν καταλήξει πουθενά, και οι θεωρητικοί στρέφονται σε πιο περίπλοκες ιδέες για να κατανοήσουν την συμπεριφορά της φύσης.
Πέρυσι, κάποιοι φυσικοί συναντήθηκαν στην Κοπεγχάγη για να πληρώσουν τα χαμένα στοιχήματα, όσον αφορά την πειραματική επιβεβαίωση της υπερσυμμετρίας, με μπουκάλια ακριβού κονιάκ.
«Πολλοί από τους συναδέλφους μου είναι απελπισμένοι», δήλωσε ο Hermann Nicolai από το Ινστιτούτο Max Planck. «Έχουν επενδύσει την σταδιοδρομία τους σε αυτό». Η ιδέα και μόνο πως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων δεν θα ανακαλύψει τίποτε άλλο εκτός από το μποζόνιο Higgs, εδώ και χρόνια αποτελεί τον εφιάλτη των φυσικών. Μεταξύ άλλων, θα τους αφήσει χωρίς καμία εξήγηση για το μέγιστο επίτευγμά τους: το ίδιο το Higgs .
Σύμφωνα με το CERN, ο θεμελιώδης λίθος του Καθιερωμένου Προτύπου έχει μάζα 125 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ, όσο περίπου ζυγίζει ένα άτομο ιωδίου. Αλλά σύμφωνα με θεωρητικούς υπολογισμούς αυτό είναι γελοιωδέστατα πάρα πολύ ελαφρύ. Η μάζα του Higgs θα έπρεπε να είναι μερικές χιλιάδες τετράκις εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη.
Η αιτία είναι η κβαντική παραξενιά, μια αρχή σύμφωνα με την οποία ότι δεν απαγορεύεται μπορεί να συμβεί. Αυτό σημαίνει ότι ο υπολογισμός του Higgs πρέπει να συμπεριλαμβάνει τις επιδράσεις των αλληλεπιδράσεών του με όλα τα άλλα γνωστά σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων και αυτών που αποκαλούνται εικονικά ή εν δυνάμει σωματίδια, τα οποία μπορούν να εμφανίζονται και να εξαφανίζονται.
Οι φυσικοί πρέπει να γιατρέψουν τις εξισώσεις για το Higgs και τους άλλους αριθμούς για να είναι εντάξει με το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Aλλά όταν εισάγονται τα υποτιθέμενα υπερσυμμετρικά σωματίδια, συμβαίνει ένα θαύμα. Καταργούνται οι επιδράσεις από τα άλλα σωματίδια, αφήνοντας το Higgs με μια πεπερασμένη κανονική μάζα. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο πρέπει να δουλεύει η φύση, λένε.
Η υπερσυμμετρία είναι μια τέτοια γενική ιδέα, ώστε υπάρχει πάντα μια άλλη εκδοχή που μπορεί να προταθεί. Δεν είναι όλοι έτοιμοι για να εγκαταλείψουν την υπερσυμμετρία ή να παραδεχτούν πως έχασαν τα στοιχήματα.

Το κέντρο ελέγχου στο CERN, εκεί όπου οι επιστήμονες αναλύουν τα δεδομένα.
Credit Leslye Davis/The New York Times


Ο Gordon Kane, ένας θεωρητικός των υπερχορδών στο Πανεπιστήμιο του Michigan, γνωστός στην επιστημονική κοινότητα για την αισιοδοξία του όσον αφορά την υπερσυμμετρία, δήλωσε ότι οι υπολογισμοί του προέβλεπαν πως το ελαφρύτερο υπερσυμμετρικό σωματίδιο θα έπρεπε να είχε εμφανιστεί γύρω στα 1,6 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ, αφού αναλύονταν επαρκώς τα δεδομένα. «Δυστυχώς», έγραφε σε ένα email, «οι πειραματικοί φυσικοί δεν έκαναν ρεαλιστικές αναζητήσεις».
Ένας άλλος ένθερμος υποστηρικτής της υπερσυμμετρίας είναι ο John Ellis, ένας βετεράνος θεωρητικός του CERN και καθηγητής στο Kings College του Λονδίνου. Στο γραφείο του έχει έναν σκελετό από χαρτόνι που παριστάνει τον τελευταίο που άσκησε κριτική στην υπερσυμμετρία (συντομογραφικά Susy). «Προφανώς απογοητεύθηκα που η υπερσυμμετρία δεν εμφανίστηκε στα πειράματα του LHC» δήλωσε, προσθέτοντας ότι υπάρχουν ακόμα πιθανότητες να δώσει σημεία ζωής».
Ο Guido Tonelli, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Πίζας, ένας από τους πρωτεργάτες στο κυνήγι του μποζονίου Higgs, δήλωσε: «Προς στιγμήν νομίσαμε θα μπορούσαμε να ανακαλύψουμε το Higgs και νέα φυσική ταυτόχρονα – κάτι που θα ήταν πολύ συναρπαστικό. Αλλά δεν καταλαμβάνεται από την κατάθλιψη των συναδέλφων του. Το γεγονός ότι το Higgs ταιριάζει στο Καθιερωμένο Πρότυπο, σημαίνει ότι η νέα φυσική είναι ακόμα πιο μακριά στην ενεργειακή κλίμακα. Γνωρίζουμε ότι είναι εκεί, απλά δεν ξέρουμε αν θα την ανακαλύψουμε αύριο ή την επόμενη δεκαετία. Πρέπει να ψάξουμε. Μην είστε άτολμοι».
Σύμφωνα με τον Dr. Giudice, μέχρι το τέλος του 2018, οι επιταχυντής θα έχει καταγράψει 15.000 τρισεκατομμύρια συγκρούσεις. Αν μέχρι τότε δεν εμφανιστεί τίποτε, τότε θα πρέπει να επανασχεδιάσουμε αρκετά πράγματα.
Όταν έχουμε σύγχυση σημαίνει πως βρισκόμαστε σε ένα εξαιρετικά κρίσιμο σημείο της έρευνας. Και αυτή είναι μια στιγμή σύγχυσης. Και η σύγχυση είναι μια ευκαιρία για νέες ιδέες.
Μεταξύ άλλων ιδεών ο Dr. Giudice προτείνει η μάζα του μποζονίου Higgs να καθορίζεται όχι από μια βαθύτερη αρχή συμμετρίας, αλλά μάλλον από την συνεχή δυναμική των πεδίων και των δυνάμεων. Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται και εξελίσσεται από την Μεγάλη Έκρηξη και μετά, το πεδίο Higgs, που εκφράζεται με το συνονόματο μποζόνιο, υφίσταται μετατροπές φάσης, όπως το νερό μετατρέπεται σε πάγο. Σε κάποιο σημείο κολλάει. Αυτό που καθορίζει την τιμή του Higgs είναι η ιστορία του σύμπαντος. Αλλά αυτό θα έκανε το πεδίο Higgs ασταθές σε πολύ μεγάλα χρονικά πλαίσια – πολύ μεγαλύτερα από την ηλικία του σύμπαντος – και θα μπορούσε τελικά να καταρρεύσει, διαλύοντας αυτό που θεωρούμε ως πραγματικότητα.
Μια άλλη πιθανότητα – η οποία όμως εξοργίζει πολλούς φυσικούς – είναι αυτοί οι προβληματικοί αριθμοί να οφείλονται σε τυχαίες πιθανότητες. Υπάρχει ένας άπειρος αριθμός εν δυνάμει συμπάντων με διαφορετικές μάζες Higgs, αλλά μόνο ένα που έχει την ικανότητα να εξελίσσεται σε γαλαξίες, άστρα, πλανήτες, εμάς.
Το CERN άρχισε να σχεδιάζει έναν αληθινό γίγαντα, διάδοχο του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων: θα έχει περιφέρεια 100 χιλιομέτρων και θα συγκρούονται πρωτόνια με ενέργεια 100 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ. Και η Κίνα διερευνά επίσης την περίπτωση ενός μεγάλου επιταχυντή παρόμοιων δυνατοτήτων.
Στα 14 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων μπορούσε να βρει το μποζόνιο Higgs ή κάτι άλλο διότι το Καθιερωμένο Μοντέλο φτάνει μέχρι αυτές τις ενέργειες.
Ο μελλοντικός κυκλικός επιταχυντής στο CERN, δεν έχει κάποιο συγκεκριμένο στόχο διότι σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο στις υψηλότερες ενεργειακές περιοχές δεν αναμένονται να εμφανιστούν νέα σωματίδια. Στην πραγματικότητα όμως κανείς δεν πιστεύει ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο, χωρίς αναφορά στην βαρύτητα, πως είναι η τελευταία λέξη της θεωρίας σχετικά με το σύμπαν.
Απομένουν να γίνουν τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων συγκρούσεις πρωτονίων πριν πάμε για ύπνο.
Μια ενθαρρυντική ένδειξη έρχεται από τις πρόσφατες μελέτες του CERN ενός βραχύβιου μικρού σωματιδίου που ονομάζεται μεσόνιο B0, το οποίο μεταξύ άλλων, εναλλάσσεται με τον εαυτό του και το αντίστοιχο αντισωματίδιό του τρισεκατομμύρια φορές ανά δευτερόλεπτο.
Το πείραμα LHCb εξέτασε τις διασπάσεις των μεσονίων B0 προς ένα διεγερμένο καόνιο και σε ένα ζεύγος ηλεκτρονίων ή μιονίων. Το μιόνιο είναι 200 φορές βαρύτερο από το ηλεκτρόνιο, αλλά στο Καθιερωμένο Πρότυπο οι αλληλεπιδράσεις του είναι κατά τα άλλα πανομοιότυπες με εκείνες του ηλεκτρονίου (μια ιδιότητα που είναι γνωστή ως lepton universality).
Η θεωρητική πρόβλεψη είναι ότι, εκτός από μια μικρή και υπολογίσιμη διαφορά λόγω διαφοράς μαζών μιονίων-ηλεκτρονίων, τα ηλεκτρόνια και τα μιόνια θα πρέπει να παράγονται με την ίδια πιθανότητα σε αυτή τη συγκεκριμένη διάσπαση μεσονίων B0. Όμως τα πειραματικά δεδομένα δείχνουν πως οι διασπάσεις που δίνουν μιόνια συμβαίνουν σπανιότερα, όπως αναφέρθηκε τον Απρίλιο στο CERN .
H ίδια κβαντική παραξενιά που εκτοξεύει την θεωρητική μάζα του Higgs, μπορεί να λειτουργεί κι εδώ λένε οι φυσικοί, κρύβοντας ένα νέο πολύ βαρύ σωματίδιο που ονομάζεται λεπτοκουάρκ. Ή πρόκειται για στατιστική διακύμανση.
«Περιττό να πούμε ότι αν τα σήματα αυτά επιμείνουν τότε πρόκειται για ένα εξαιρετικά σημαντικό ζήτημα, αλλά είναι πολύ νωρίς να πούμε», λέει ο Guy Wilkinson, καθηγητής στην Οξφόρδη και εκπρόσωπος του πειράματος LHCb.
Ήταν μόνο έξι χρόνια πριν, όταν ο LHC ήταν στα πρόθυρα να αποκλείσει το μποζόνιο Higgs, τουλάχιστο όπως περιγραφόταν από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Οι επιστήμονες ήταν έτοιμοι να εξηγήσουν στον κόσμο γιατί η αποτυχία να βρουν το μποζόνιο Higgs θα ήταν πιο συναρπαστική από το να το βρουν: μια άλλη ευκαιρία δημιουργικής σύγχυσης.
Και ξαφνικά, ένα μικρό καρούμπαλο φάνηκε στα διαγράμματα των δεδομένων, που τελικά αποδείχθηκε πως επρόκειτο για το ελλείπον μποζόνιο.
«Η φύση είναι πιο δαιμόνια απ’ ότι νομίζουμε», λέει ο Joel Butler, φυσικός του FermiLab, που συμμετέχει στην ερευνητική ομάδα του ανιχνευτού CMS στο CERN.
«Χρειάστηκαν 50 χρόνια για να βρούμε το Higgs.
Η υπομονή είναι σαφώς μια μεγάλη αρετή στη φυσική», προσθέτει.

Τα παραπάνω είναι μια συνοπτική ελεύθερη απόδοση του άρθρου του Dennis Overbye που δημοσιεύθηκε πριν από μερικές μέρες στους NYT. Διαβάστε όλες τις λεπτομέρειες ΕΔΩ: «Yearning for New Physics at CERN, in a Post-Higgs Way»

μετάφραση: physicsgg.me



Δημοσίευση σχολίου

Άλλα θέματα

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...