Προς τη μεγάλη ενοποίηση

Σε μια μεγάλη ενοποιημένη θεωρία όπως λέγεται, κανείς περιμένει, η ισχυρή, η ασθενής και η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση να αποτελούν διαφορετικές όψεις μιας και της αυτής δύναμης με ένα ενιαίο ισχύ σύζευξης που περιγράφει τις πιθανότητες όλων των διαφορετικών τύπων σωματιδιακών αλληλεπιδράσεων. Αυτό είναι δυνατόν από το γεγονός ότι η ισχύς των διαφόρων αλληλεπιδράσεων μεταβάλλεται με την ενέργεια όπως φάνηκε και από την ασυμπτωτική ελευθερία των ισχυρών αλληλεπιδράσεων. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η σταθερές σύζευξης μπορεί να εξισωθούν σε ενέργειες της τάξης των 10¹⁵ ή 10¹⁶ GeV, σχετικά κοντά με την ενέργεια των 10¹⁹ GeV που αποτελεί την ενέγεια Planck, όπου και η βαρύτητα καθίσταται ισχυρή δύναμη.

Πολλές Μεγάλες Ενοποιημένες Θεωρίες προβλέπουν την εμφάνιση νέων αλληλεπιδράσεων που μπορούν να προκαλέσουν τη διάσπαση του πρωτονίου και/ή να κάνουν τα νετρίνα να αποκτούν μάζα. Έχουν γίνει πολλές έρευνες για τη διάσπαση του πρωτονίου, χωρίς όμως επιτυχία, και η διάρκεια ζωής του πρέπει να είναι τουλάχιστον 10³² έτη. Παρόλα αυτά πρόσφατες μελέτες των νετρίνων του Ήλιου και της ατμόσφαιρας υποδεικνύουν ότι οι διάφοροι τύποι των νετρίνων έχουν και διαφορετικές μάζες. Αν αυτό επιβεβαιωθεί θα πρόκειται για την πρώτη σημαντική ένδειξη μιας φυσικής θεωρίας πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο. Μένει να εξακριβωθεί αν κάποιο από τα νετρίνα έχει αρκετή μάζα ώστε να δώσει μια σημαντική συνεισφορά στην αόρατη σκοτεινή ύλη του Σύμπαντος.

Άλλες προτάσεις για πιθανές φυσικές θεωρίες πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο προσπαθούν να καταλάβουν την ποικιλία των τύπων των quarks και των λεπτονίων που τους χαρακτηρίζουμε σαν γεύσεις (flavours) και την αιτία της παραβίασης της CP συμμετρίας. Πιο συγκεκριμένα ερευνάται η μεγάλη ποικιλία των μαζών των λεπτονίων και των quarks και ο ρυθμός διάσπασης των σωματίων που περιέχουν διαφορετικά quarks. Μια ιδέα που συχνά συζητείται σ’ αυτά τα πλαίσια είναι η πιθανότητα τα λεπτόνια και τα quarks να μην είναι στοιχειώδη αλλά δέσμιες καταστάσεις από ακόμα πιο θεμελιώδη συστατικά. Μέχρι στιγμής δεν έχει εμφανιστεί κάποιο πειστικό μοντέλο προς αυτή την κατεύθυνση. Πολλοί στοιχηματίζουν υπέρ της κατασκευής μιας θεωρίας που να εξηγεί την παραβίαση της συμμετρίας των flavours και CP, επειδή αυτά μπορεί να αποτελούν κρίσιμα συστατικά στην προσπάθεια κατανόσης της ασυμμετρίας ύλης και αντιύλης που παρατηρείται στο Σύμπαν.
Ένα παράδειγμα της παραβίασης της συμμετρίας των flavours θα ήταν αν ένα μιόνιο και ένα ηλεκτρόνιο δημιουργούνταν σε μια σύγκρουση ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου αντί για ένα μιόνιο και ένα αντιμιόνιο.

Ένα τρίτο σύνολο προτεινόμενων προεκτάσεων του καθιερωμένου μοντέλου προσπαθεί να καταλάβει καλύτερα τα παρατηρούμενα μεγέθη των μαζών των σωματιδίων. Το κύριο πρόβλημα εδώ είναι ότι τα δυνάμει δωματίδια στη νέα θεωρία έχουν πολύ μεγάλη επίδραση στη μάζα του μποζονίου Higgs. Κατ’ αρχήν τα αποτελέσματα αυτά θα μπορούσαν να απαλειφθούν με κάποιες παράξενες αρχικές τιμές των παραμέτρων της θεωρίας, ώστε να πετύχουμε αποδεκτές τιμές των παρατηρούμενων φυσικών τιμών. Αλλά κάτι τέτοιο δεν είναι μια ικανοποιητική κατάσταση. Ένας τρόπος να αποφύγουμε αυτό τον λεπτό συντονισμό των παραμέτρων είναι να διατυπώσουμε αξιωματικά ότι τα σωματίδια του καθιερωμένου μοντέλου συνοδεύονται από άλλα σωματίδια με ίδια φορτία (και συνεπώς ίδιες αλληλεπιδράσεις) αλλά με spin που διαφέρουν κατά μισή μονάδα.

Αυτά τα υπερσυμμετρικά σωματίδια ως εκ τούτου έχουν αντίθετη στατιστική από τα σωματίδια του καθιερωμένου μοντέλου δηλαδή τα φερμιόνια συνοδεύονται από μποζόνια και αντίστροφα. Τα αντίστοιχα φαινόμενα των δυνάμει σωματιδίων έχουν αντίθετα πρόσημα και εξαλείφονται αυτόματα έτσι ώστε το πρόβλημα του λεπτού συντονισμού αποφεύγεται αν οι υπερσυμμετρικοί συνοδοί των σωματιδίων έχουν μάζα λιγότερη από 1000 GeV c^-2.

Ένα από τα πιο περίεργα σημεία των υπερσυμμετρικών θεωριών είναι ότι τα πιο ελαφρά υπερσυμμετρικά σωματίδια πρέπει να είναι σταθερά. Έτσι μπορεί ακόμα και σήμερα να βρίσκονται τριγύρω στο Σύμπαν σαν απομεινάρι του big bang και μπορεί να αποτελούν μεγάλο μέρος από την ψυχρή σκοτεινή ύλη που πιστεύουν πολλοί κοσμολόγοι και αστροφυσικοί. Έως τώρα δεν έχουμε καμιά ένδειξη για υπερσυμμετρικά σωματίδια αλλά πιστεύουμε ότι ζεύγη από αυτά θα μπορούσαν να δημιουργηθούν κατά τις συγκρούσεις όπως ακριβώς και τα άλλα σωματίδια αρκεί να διατίθεται η απαραίτητη ενέργεια.

Τελικά πολλοί θεωρητικοί πιστεύουν ότι η θεωρία που ερμηνεύει τα πάντα και λύνει όλα τα ανοιχτά ζητήματα του καθιερωμένου μοντέλου θα προέλθει από κάποια μετεξέλιξη της θεωρίας των χορδών. Αυτή είναι μια φαινομενικά συνεπής κβαντική θεωρία της βαρύτητας που απαιτεί υπερσυμμετρία και έχει αρκετά πλούσια δομή για να φιλοξενήσει μια μεγάλη θεωρία ενοποίησης. Η θεωρία των χορδών ενσωματώνει έναν υψηλό βαθμό συμμετρίας που επεκτείνεται και γενικεύει και τη συμμετρία του καθιερωμένου μοντέλου και το αναλλοίωτο σε αλλαγές χωρικών συντεταγμένων της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Είναι μια υπνοτιστικά όμορφη θεωρία που μας έχει ήδη δώσει αρκετές όμορφες μαθηματικές περιγραφές και υπόσχεται να φέρει επανάσταση στην εικόνα μας για την γεωμετρία του χωροχρόνου. (Δείτε και “Το νέο Σύμπαν στην επόμενη γωνία” του Lee Smolin).