Πιστεύουμε στην υπερσυμμετρία (SUSY): Τι είναι αυτό που ψάχνει στα αλήθεια ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC)

Η τελετή έναρξης του Μεγάλου Επιταχυντή Σωματιδίων (LHC) ήταν αρκετά θεαματική και έγινε με μεγάλη λαμπρότητα – ας μην αναφέρουμε εδώ τις σκοταδιστικές απόψεις ότι θα έρθει με την λειτουργία του το τέλος του κόσμου. Η μεγαλύτερη μηχανή στον κόσμο ξεκίνησε την λειτουργία της στις 10 Σεπτεμβρίου του 2008 ενώ όλα τα ΜΜΕ έγραφαν πολυσέλιδα άρθρα γι αυτήν.  Μόλις εννέα ημέρες αργότερα ήταν αρκετό ένα βραχυκύκλωμα και μία καταστροφική διαρροή υγρού ηλίου για να κλείσει ατιμωτικά η γιγάντια μηχανή, το καύχημα των φυσικών.

Πριν ένα μήνα έγιναν ορισμένες δοκιμές με δέσμες σωματιδίων προκειμένου να συγχρονιστούν οι μαγνήτες του επιταχυντή ενόψει της επανεκκίνησης του γιγάντιου επιταχυντή στις προσεχείς μέρες. Συγκεκριμένα στα τέλη  Οκτωβρίου δέσμες πρωτονίων και ιόντων μολύβδου κινήθηκαν και προς τις δύο κατευθύνσεις, μέσα σε δύο από τα οκτώ τμήματα του επιταχυντή, ο οποίος καταλαμβάνει ένα υπόγειο κυκλικό τούνελ μήκους 27 χιλιομέτρων.

Η δοκιμή επέτρεψε στους μηχανικούς να βεβαιωθούν ότι οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες που καθοδηγούν τις δέσμες μέσα στην κυκλική διαδρομή λειτουργούν συγχρονισμένα. Όμως οι δέσμες αυτές είχαν ενέργεια μόνο 450 GeV, συγκριτικά με 3,5 TeV στα πειράματα που θα ακολουθήσουν.

Ο νομπελίστας φυσικός Steven Weinberg ανησυχεί. Δεν είναι ότι σκέφτεται πως ο LHC θα δημιουργήσει μια μίνι μαύρη τρύπα που θα καταβροχθίσει τον πλανήτη, ή ακόμη ότι η επανεκκίνηση θα σταματήσει και πάλι με μία τεχνική καταστροφή, όπως την περασμένη χρονιά. Όχι: αυτό που στην πραγματικότητα τον ανησυχεί είναι ότι ο επιταχυντής LHC θα βρει αυτό που ορισμένοι το αποκαλούν «σωματίδιο του Θεού», το δημοφιλές και μέχρι τώρα απαρατήρητο μποζόνιο Χιγκς.

Το Higgs θα φέρει αναστάτωση στους φυσικούς

«Είμαι τρομοκρατημένος», λέει. "Η ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs θα σήμαινε ότι έρχεται πραγματικά μία κρίση."

Η απροσομοίωση δεξιά αναπαριστάνει την διάσπαση ενός σωματιδίου Higgs ακολουθούμενη από μια σύγκρουση δύο πρωτονίων στον ανιχνευτή CMS (Compact Muon Solenoid) που βρίσκεται στον επιταχυντή LHC της Γενεύης

Γιατί όμως; Τα αποδεικτικά στοιχεία για το σωματίδιο Higgs, θα ήταν το επιστέγασμα ενός οικοδομήματος που οι φυσικοί σωματιδίων κτίζουν επί μισό αιώνα – η φαινομενικά επιτυχημένη θεωρία που είναι γνωστή απλά ως Καθιερωμένο Μοντέλο. Το μοντέλο αυτό περιγράφει όλα τα γνωστά σωματίδια, καθώς και τρεις από τις τέσσερις δυνάμεις που ενεργούν επ ‘αυτών: η ηλεκτρομαγνητική, η ασθενής και η ισχυρή πυρηνική δύναμη.

Είναι όμως και φανερά ελλιπής. Γνωρίζουμε ότι πρέπει να είναι μέρος μόνο μιας πολύ μεγαλύτερης θεωρίας γιατί δεν εξηγεί ορισμένα ζητήματα. Έτσι, αν ο επιταχυντής LHC βρει ή δεν βρει το Higgs, το καθιερωμένο μοντέλο θα έχει ελεγχθεί πλήρως. Στη συνέχεια, όμως η φυσική των σωματιδίων θα είναι σε αδιέξοδο, χωρίς ενδείξεις για το τι υπάρχει μετά.

Γι αυτό και φοβάται ο Weinberg. Ωστόσο, αν οι θεωρητικοί είναι σωστοί, προτού βρεθεί το Higgs, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων LHC θα δει το πρώτο περίγραμμα κάτι πολύ μεγαλύτερου: την μεγάλη, πρωταρχική θεωρία που είναι γνωστή ως υπερσυμμετρία.ή SUSY, η οποία είναι μια τολμηρή θεωρία που διπλασιάζει τον αριθμό των σωματιδίων που απαιτούνται για να εξηγηθεί ο κόσμος. Και θα μπορούσε να είναι ακριβώς αυτή που οι φυσικοί σωματιδίων χρειάζονται για να καθορίσουν την νέα πορεία τους μετά το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Τι πάει λοιπόν τόσο λάθος με το Καθιερωμένο Μοντέλο; Αρχικά, υπάρχουν ορισμένες προφανείς παραλείψεις. Δεν μας λέει τίποτα απολύτως για την τέταρτη βασική δύναμη της φύσης, την βαρύτητα, και σιωπά επίσης σχετικά με τη φύση της σκοτεινής ύλης. Η σκοτεινή ύλη δεν ένα είναι ασήμαντο θέμα: αν η δική μας ερμηνεία ορισμένων αστρονομικών παρατηρήσεων είναι σωστή, τότε όλη η ύλη είναι μεγαλύτερη από την συμβατική ύλη στο σύμπαν με μια αναλογία πάνω από 4 προς 1.

Όμως, κατά αρκετά ειρωνικό τρόπο, το πραγματικό πρόβλημα ξεκινά με το σωματίδιο Higgs. Το Higgs ήρθε για να λύσει ένα πραγματικά τεράστιο πρόβλημα: το γεγονός ότι οι βασικές δομικές μονάδες της συνηθισμένης ύλης (όπως τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ, που είναι συλλογικά γνωστά ως φερμιόνια) και τα σωματίδια που μεταφέρουν δυνάμεις και λέγονται διαδότες (είναι γνωστά σαν μποζόνια) έχουν μια μάζα. Οι θεωρίες δεν μπορούσαν να δουν κάποιο λόγο ή αιτία να έχουν μάζα τα σωματίδια, και δεν μπορούσαν να το προβλέψουν. Έπρεπε να την μετρήσουν στα πειράματα τη μάζα των σωματιδίων και να την προσθέσουν στη θεωρία χειροκίνητα.

Αυτές οι "ελεύθερες παράμετροι" ήταν ενοχλητικές στις θεωρίες που είχαν υφανθεί μαζί για να σχηματίσουν αυτό που τελικά έγινε γνωστό ως Καθιερωμένο Μοντέλο. Το 1964, ο Peter Higgs του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου, μαζί με τους François Englert και Robert Brout του Ελεύθερου Πανεπιστημίου των Βρυξελλών (ULB), ανεξάρτητα μεταξύ τους βρήκαν έναν τρόπο να δέσουν τη μάζα με τα σωματίδια.

Αυτός ο μηχανισμός ήταν ένα αόρατο κβαντικό πεδίο που κατακλύζει ολόκληρο το σύμπαν. Αργότερα ονομάστηκε πεδίο Higgs, και είναι αυτό το οποίο προσδίδει μάζα σε όλα τα σωματίδια. Η μάζα που αποκτά ένα στοιχειώδες σωματίδιο (όπως ένα ηλεκτρόνιο ή ένα κουάρκ) εξαρτάται από την ισχύ των αλληλεπιδράσεων του  με το πεδίο Higgs, του οποίου τα "κβάντα” είναι τα μποζόνια Higgs.

Δεξιά: Η δημιουργία του σωματιδίου Higgs και η διάσπαση του σε δύο φωτόνια γ θα γίνει αν έχει μάζα με εύρος 80 – 140 GeV. Αν η μάζα του είναι της τάξης 140 έως 700 GeV τότε θα δούμε 4 μιόνια μ.

Πεδία όπως αυτό είναι το κλειδί για το Καθιερωμένο Μοντέλο που περιγράφει το πώς η ηλεκτρομαγνητική,  η ασθενής και η ισχυρή πυρηνική δύναμη δρουν πάνω στα σωματίδια, μέσω της ανταλλαγής διαφόρων διαδοτών δηλαδή μποζόνια – όπως τα σωματίδια W και Z, τα γκλουόνια και τα φωτόνια. Αλλά η θεωρία του Higgs, αν και κομψή, έρχεται με ένα άσχημο σημείο: ποιά είναι η μάζα του ίδιου του Higgs; Θα πρέπει να αποτελείται από μια κεντρική μάζα συν τις συνεισφορές από τις αλληλεπιδράσεις του με όλα τα άλλα στοιχειώδη σωματίδια. Όταν όμως αθροίσεις τις συνεισφορές αυτές, η μάζα Higgs φεύγει εκτός ελέγχου.

Αριστερά: Ένα διάγραμμα Feynman ενός τρόπου που μπορεί να παραχθεί ένα μποζόνιο Higgs στον επιταχυντή LHC. Εδώ, δύο κουάρκ που το κάθε ένα εκπέμπει μποζόνια W ή Z συνδυάζονται για να κάνουν ένα ουδέτερο Higgs.

Οι πειραματικές ενδείξεις που έχουμε ήδη δείχνουν ότι η μάζα του Higgs πρέπει να είναι μεταξύ 114 και 180 Gev – μεταξύ 120 και 190 φορές τη μάζα του πρωτονίου ή νετρονίου, και είναι εύκολο να την φτάσει ο LHC. Η θεωρία, πάντως, έρχεται με τιμές 17 ή 18 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη – μια καταστροφική διαφορά που έχει ονομαστεί σαν το "πρόβλημα ιεραρχίας”. Ο μόνος τρόπος για να απαλλαγούμε από αυτό στο καθιερωμένο μοντέλο είναι να τελειοποιήσουμε ορισμένες παραμέτρους, με ακρίβεια 1 προς 10³⁴, κάτι που οι φυσικοί βρίσκουν αφύσικο και απεχθή.

Τρεις δυνάμεις σε μία

Το πρόβλημα της ιεραρχίας δεν είναι το μόνο ελάττωμα στο στάνταρτ μοντέλο. Υπάρχει επίσης το πρόβλημα του πώς να επανενώσουμε όλες τις δυνάμεις. Στο σύμπαν σήμερα, οι τρεις δυνάμεις που εξετάζονται από το μοντέλο έχουν πολύ διαφορετική ισχύ και εύρος. Στο υποατομικό επίπεδο, η ισχυρή δύναμη είναι η ισχυρότερη, η ασθενής η ασθενέστερη και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη κάπου στο ενδιάμεσο.

Προς το τέλος της δεκαετίας του 1960, όμως, ο Weinberg έδειξε μαζί με τους Abdus Salam και Sheldon Glashow ότι αυτό δεν συνέβαινε πάντα. Επειδή η υψηλή ενέργεια κυριαρχούσε στις απαρχές του σύμπαντος, η ασθενής μαζί με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη είχαν την ίδια ισχύ. Στην πραγματικότητα ήταν ενοποιημένες σε μία δύναμη. Η προσδοκία ήταν ότι αν επεκταθούμε αρκετά πίσω προς το Big Bang, η ισχυρή δύναμη θα ήταν κι αυτή ενοποιημένη με τις άλλες σε μία ενιαία υπερ-δύναμης (βλέπε διάγραμμα όπου φαίνεται ότι ο LHC δεν φτάνει την ενέργεια της ενοποίησης). 
 

Το 1974 ο Weinberg μαζί με τους συνάδελφους του Helen Quinn και Howard Georgi έδειξε ότι το στάνταρτ μοντέλο θα μπορούσε πράγματι να κάνει αυτό που συνέβη – αλλά μόνο κατά προσέγγιση. Ενώ χαιρετήθηκε αρχικά σαν μια μεγάλη επιτυχία, προέκυψε σύντομα ότι ήταν και τόσο ακριβής η ενοποίηση με το καθιερωμένο μοντέλο,  οπότε άρχισαν οι φυσικοί να δουλεύουν για τη «μεγάλη ενοποιημένη θεωρία» των αλληλεπιδράσεων της φύσης.

Τότε κάνει την εμφάνισή της η υπερσυμμετρία, αρχικά στο έργο των Σοβιετικών φυσικοί Yuri Golfand και Evgeny Likhtman, που φυσικά δεν ήταν τελειοποιημένη. Αργότερα ο Julius Wess στο Πανεπιστήμιο της Καρλσρούης μαζί με τον Bruno Zumino του Πανεπιστημίου στο Μπέρκλεϊ, έφεραν ριζικές αλλαγές στην θεωρία σε μερικά χρόνια αργότερα και έκαναν τον κόσμο να την προσέξει.

Οι Wess και Zumino προσπαθούσαν να εφαρμόσουν την αγαπημένη απλουστευμένη αρχή των φυσικών, την συμμετρία, στο ζωολογικό κήπο των υποατομικών σωματιδίων. Στόχος τους ήταν να δείξουν ότι η διαίρεση του πεδίου των σωματιδίων σε φερμιόνια και μποζόνια είναι το αποτέλεσμα μιας χαμένης συμμετρίας, που υπήρχε στις απαρχές του σύμπαντος.

Σύμφωνα με την υπερσυμμετρία, κάθε φερμιόνιο συνδέεται με ένα υπερσυμμετρικό μποζόνιο μεγαλύτερης μάζας, και κάθε μποζόνιο με ένα υπερσυμμετρικό-εταίρο φερμιόνιο. Για παράδειγμα, το ηλεκτρόνιο έχει σαν υπερσυμμετρικό-εταίρο το μποζόνιο selectron), ενώ το μποζόνιο φωτόνιο έχει υπερσυμμετρικό εταίρο το φωτίνο (φερμιόνιο). Στην ουσία, τα σωματίδια που γνωρίζουμε τώρα είναι απλώς τα μισά του ζωολογικού κήπου των σωματιδίων (πατήστε για μεγέθυνση στο παρακάτω διάγραμμα).

Τα σωματίδια είναι χωρισμένα σε δύο οικογένειες: τα φερμιόνια με ημιακέραιο σπιν και τα μποζόνια  με ακέραιο σπιν. Η υπερσυμμετρία διπλασιάζει τα γνωστά σωματίδια βάζοντας ένα υπερσυμμετρικό εταίρο δίπλα σε κάθε γνωστό σωματίδιο, αλλά της αντίθετης οικογένειας (σε ένα μποζόνιο αντιστοιχεί ένα φερμιόνιο κλπ)

Η υπερσυμμετρία στο προσκήνιο

Το κλειδί για τη θεωρία είναι ότι στην υψηλής ενέργειας σούπα του πρώιμου σύμπαντος, σωματίδια και οι υπερ-εταίροι τους ήταν δυσδιάκριτοι. Κάθε ζεύγος συνυπήρχε ως μία ενιαία άμαζη οντότητα. Καθώς το σύμπαν επεκτάθηκε και ψύχθηκε αυτή η υπερσυμμετρία έσπασε. Χώρισαν οι δρόμοι των εταίρων καθώς και των υπερ-εταίρων, και έγιναν μεμονωμένα σωματίδια με διακριτή μάζα.

Η υπερσυμμετρία είναι μια τολμηρή ιδέα που δύσκολα θα δοκιμαστεί στην πράξη. Έχει το πλεονέκτημα ότι δίνει ρόλο στη συμμετρία, που είναι μια λέξη φετίχ για τους φυσικούς. Μέχρι τώρα αποδείχθηκε ότι στο πρόβλημα της ιεραρχίας θα μπορούσε να δαμάσει όλες τις συνεισφορές από τις ενοχλητικές αλληλεπιδράσεις του σωματιδίου Higgs με τα στοιχειώδη σωματίδια, αυτές που αναγκάζουν να αυξάνεται η μάζα τους εκτός ελέγχου. Αυτές απλά ακυρώνονται από τις συνεισφορές από τους  υπερσυμμετρικούς εταίρους τους. "Η υπερσυμμετρία προκαλεί την ακύρωση των συνεισφορών από τις αλληλεπιδράσεις του Higgs με τα άλλα στοιχειώδη σωματίδια (οπότε η μάζα του δεν ξεφεύγει από τα όρια) με πολύ φυσικό τρόπο”, λέει ο Nathan Seiberg του Πανεπιστημίου του Πρίνστον.

Δεν τελειώσαμε όμως. Το 1981 ο Georgi, μαζί με τον Σάββα Δημόπουλο από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, επανέλαβαν τους υπολογισμούς για την επανένωση όλων των δυνάμεων, που είχε κάνει ο  Weinberg και ο Quinn, αλλά μαζί με την υπερσυμμετρία στο μείγμα. Διαπίστωσαν λοιπόν ότι οι καμπύλες που εκπροσωπούν την ισχύ και των τριών δυνάμεων θα μπορούσαν να  συναντηθούν μαζί με εντυπωσιακή ακρίβεια στις απαρχές του σύμπαντος. "Εάν έχετε δύο καμπύλες, δεν είναι έκπληξη το γεγονός ότι κάπου τέμνονται», λέει ο Weinberg. Αλλά αν έχετε τρεις καμπύλες που τέμνονται στο ίδιο σημείο, τότε αυτό δεν είναι ασήμαντο. "

Αυτό το δεύτερο κτύπημα από την υπερσυμμετρία ήταν αρκετό για να μετατρέψουν πολλούς φυσικούς σε αληθινούς πιστούς της νέας θεωρίας. Όμως όταν άρχισαν να μελετούν ορισμένα από τα ζητήματα που αναδύονταν από τη νέα θεωρία τότε τα πράγματα έγιναν πολύ ενδιαφέροντα.

Ένα πιεστικό ερώτημα αφορά το που βρίσκονται σήμερα τα υπερσυμμετρικά σωματίδια. Ηλεκτρόνια, φωτόνια και τα παρόμοια σωματίδια είναι όλα γύρω μας, αλλά για τα υπερσυμμετρικά σωματίδια selectrons και photinos, δεν υπάρχουν καθόλου ενδείξεις, είτε στη φύση ή σε οποιαδήποτε υψηλής ενέργειας πειράματα σε επιταχυντές μέχρι σήμερα. Αν υπάρχουν τέτοια σωματίδια, θα πρέπει να είναι εξαιρετικά μεγάλης μάζας, απαιτώντας τεράστιες ποσότητες ενέργειας για την δημιουργία τους.

Αριστερά: Το διάγραμμα δείχνει τι περιμένουμε να δούμε αν όντως υπάρχουν τα υπερσυμμετρικά σωματίδια

Τέτοια τεράστια σωματίδια θα έχουν βεβαίως προ πολλού διασπαστεί σε ελαφρύτερα σωματίδια, σταθερά υπερσυμμετρικά σωματίδια, που ονομάστηκαν νετραλίνα. Το νετραλίνο έχει μάζα,  δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο και αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη εξαιρετικά ασθενικά με την ασθενή πυρηνική δύναμη. Έτσι δεν αποτελεί έκπληξη ότι έχει διαφύγει ο εντοπισμό του μέχρι στιγμής.

Όταν οι φυσικοί υπολόγισαν ακριβώς πόση ποσότητα του νετραλίνο θα πρέπει να έμεινε, αιφνιδιάστηκαν. Ήταν ένα τεράστιο ποσό – πολύ περισσότερο από όλη την κανονική – συνηθισμένη ύλη στο σύμπαν.

Αρχίζει να σας φαίνεται κάτι γνωστό; Ναι, πράγματι: φαινόταν ότι το νετραλίνο πληρούσε όλες τις προϋποθέσεις για να είναι η σκοτεινή ύλη, που οι αστρονομικές παρατηρήσεις μας λένε ότι πρέπει να  κυριαρχεί στο σύμπαν. Ένα τρίτο κτύπημα για την υπερσυμμετρία.

Καθεμία από τις τρεις ερωτήσεις που η υπερσυμμετρία  – το πρόβλημα ιεραρχίας, το πρόβλημα της επανένωσης όλων των δυνάμεων και το πρόβλημα της σκοτεινής ύλης – θα μπορούσε να έχει τη δική του μοναδική απάντηση. Όμως, οι φυσικοί έχουν πάντοτε την τάση να ευνοούν μια συνολική θεωρία αν αυτοί μπορούν να βρουν μία. «Είναι καθησυχαστικό το γεγονός ότι πραγματικά υπάρχει μια ιδέα που λύνει αυτά τα τρία αληθινά λογικά ανεξάρτητα πράγματα», λέει ο Seiberg.

Η υπερσυμμετρία λύνει τα προβλήματα που υπάρχουν στο καθιερωμένο μοντέλο, βοηθά την ενοποίηση των δυνάμεων της φύσης και εξηγεί την προέλευση της σκοτεινής ύλης.

Ο σκοπός της υπερσυμμετρίας δεν σταματά εκεί. Ο Seiberg όπως και ο συνάδελφός του Πρίνστον Edward Witten έχουν δείξει, ότι η θεωρία μπορεί επίσης να εξηγήσει γιατί τα κουάρκ δεν τα έχουμε δει ποτέ μόνα τους, αλλά είναι συγκεντρωμένα πάντα μαζί με την βοήθεια της ισχυρής δύναμης σε μεγαλύτερα σωματίδια, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Στο στάνταρτ μοντέλο, δεν υπάρχει καμία μαθηματική ένδειξη γιατί θα πρέπει να είναι έτσι. Με την υπερσυμμετρία, αυτό ανακύπτει από εξισώσεις φυσικά. Ομοίως, τα μαθηματικά που προέρχονται από την υπερσυμμετρία μπορούν να σας πούνε με πόσους τρόπους μπορείτε να διπλώσετε μια επιφάνεια τεσσάρων διαστάσεων, ένα κατά τα άλλα δυσεπίλυτο πρόβλημα στην τοπολογία.

Όλα αυτά φαίνεται να αποκαλύπτουν κάποια θεμελιώδη αλήθεια κλειδωμένη στο πλαίσιο της θεωρίας. "Όταν κάτι έχει εφαρμογές πέραν εκείνων που είναι σχεδιασμένο, στη συνέχεια, λέτε, ”αυτό μου φαίνεται ότι έχει βάθος”, τονίζει ο Seiberg. “Η ομορφιά της υπερσυμμετρίας είναι πραγματικά εντυπωσιακή."

Πειραματικές αποδείξεις

Δυστυχώς, καμιά μαθηματική ομορφιά ούτε καμιά υπόσχεση είναι αρκετή από μόνη της. Χρειάζεστε, επίσης, πειραματικές αποδείξεις. “Είναι ενοχλητικό," λέει ο Michael Dine του Πανεπιστημίου της Santa Cruz. "Πολλές εργασίες σταματούν από αυτή την λογική."

Έμμεσα αποδεικτικά στοιχεία για την υπερσυμμετρία θα μπορούσαν να βρεθούν σε διάφορα πειράματα που αποσκοπούν να βρεθεί και να ταυτοποιηθεί σκοτεινή ύλη στις κοσμικές ακτίνες, που διέρχονται από τη Γη. Αυτά τα πειράματα περιλαμβάνουν την Έρευνα Κρυογενικής Σκοτεινής Ύλης στο εσωτερικό ενός ορυχείου στη Βόρεια Μινεσότα και το πείραμα Xenon κάτω από το βουνό Gran Sasso στην κεντρική Ιταλία. Διαστημικά σκάφη όπως ο δορυφόρος Fermi της NASA ξεσκονίζει επίσης τον Γαλαξία μας για να βρει τα αποκαλυπτικά σημάδια που αναμένονται να παράγονται όταν δύο νετραλίνο συναντηθούν και εξαϋλωθούν.

Η καλύτερη απόδειξη, ωστόσο, θα έρθει αν θα μπορούσαν να παραχθούν νετραλίνα άμεσα μέσω συγκρούσεων σε έναν επιταχυντή. Το πρόβλημα είναι ότι δεν είμαστε απόλυτα βέβαιοι πόση ενέργεια θα πρέπει να έχει ένας επιταχυντής. Η μάζα των υπερ-εταίρων εξαρτάται από το πότε ακριβώς η υπερσυμμετρία διαλύθηκε καθώς το σύμπαν ψυχόταν και τα κανονικά σωματίδια χωρίστηκαν οριστικά από τους υπερεταίρους τους. Οι διάφορες εκδοχές της θεωρίας δεν έχουν καταλήξει οριστικά σε ένα συνεπές χρονοδιάγραμμα. Ορισμένες παραλλαγές μάλιστα αφήνουν να εννοηθεί ότι ορισμένοι υπερ-εταίροι είναι αρκετό ελαφριά ώστε να έχουν ήδη μετατραπεί σε επιταχυντές, όπως ο Μεγαλος Επιταχυντής Ηλεκτρονίων-Ποζιτρονίων (LEP – ο προκάτοχος δηλαδή του LHC στο CERN – ή ο επιταχυντής Tevatron στο Ιλινόις. Ωστόσο, δεν βρέθηκε ποτέ τίποτα σε κανένα επιταχυντή.

Η αιτία που οι φυσικοί είναι τόσο ενθουσιασμένοι για τον επιταχυντή LHC, είναι ότι το είδος της υπερσυμμετρίας που λύνει καλύτερα το πρόβλημα της ιεραρχίας θα γίνει ορατό στις υψηλότερες ενέργειες που θα εξερευνήσει το LHC. Ομοίως, αν τα νετραλίνα έχουν τη σωστή μάζα ώστε να αποτελούν την σκοτεινή ύλη, θα πρέπει να παράγονται σε μεγάλους αριθμούς στον επιταχυντή LHC.

Εξ αιτίας του ατυχήματος το 2008 στον επιταχυντή, το CERN υιοθέτησε μια αργή προσέγγιση για την επανεκκίνηση του LHC. Την πρώτη χρονιά θα συνθλιβούν μαζί δύο δέσμες πρωτονίων με συνολική ενέργεια 7 TeV, η μισή του ενεργειακού σχεδιασμού. Ακόμα και έτσι είναι αρκετό βήμα προς τα επάνω από το 1,96 TeV που το Tevatron, ο προηγούμενος κάτοχος του ρεκόρ, θα μπορούσε να διαχειριστεί. "Αν τα βαρύτερα σωματίδια της υπερσυμμετρίας ζυγίζουν λιγότερο από ένα TeV, τότε θα μπορούσαν να παραχθούν αρκετά άφθονα στα πρώτα στάδια της λειτουργίας του LHC," λέει ο θεωρητικός του CERN John Ellis.

Αν αυτό είναι αλήθεια, τότε τα γεγονότα αφού ο επιταχυντής πυροδοτηθεί και πάλι θα μπορούσαν να πάρουν μια παράδοξη σειρά. Τα πρωτόνια που θα συνθλιβούν στο LHC είναι σύνθετα σωματίδια που αποτελούνται από κουάρκ και γκλουόνια, και παράγουν εξαιρετικά μπερδεμένα συντρίμμια. Θα πάρει αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα για να δούμε το Higgs έξω από τα συντρίμμια, πιστεύει ο Ellis.

Οποιαδήποτε υπερσυμμετρικά σωματίδια, από την άλλη πλευρά, θα εξακολουθήσουν να διασπώνται σε μόλις 10^-16 δευτερόλεπτα σε δευτερογενή σωματίδια, καταλήγοντας σε ένα καταρράχτη νετραλίνων. Επειδή τα νετραλίνα σπανίως αλληλεπιδρούν με άλλα σωματίδια, θα αποφύγουν τους ανιχνευτές του LHC. Παραδόξως, αυτό μπορεί να είναι η αιτία να βρεθούν σχετικά εύκολα, καθώς η ενέργεια και η ορμή που μεταφέρουν θα φαίνεται ότι λείπουν. "Αυτό, κατ ‘αρχήν, είναι κάτι που φαίνεται εύκολα," εξηγεί ο Ellis.

Έτσι, αν αποδεικτικά στοιχεία για την υπερσυμμετρία υπάρχουν με τη μορφή που αναμένουν οι περισσότεροι θεωρητικοί, αυτή θα μπορούσε να ανακαλυφθεί πολύ πριν από το σωματίδιο Higgs, του οποίου τα προβλήματα η SUSY φιλοδοξεί να επιλύσει. Οποιαδήποτε παρατήρηση για κάτι που μοιάζει με το νετραλίνο θα είναι πολύ ένα καλό νέο πράγματι. Τουλάχιστον θα ήταν μέχρι τότε η καλύτερη παρατήρηση ενός σωματιδίου της σκοτεινής ύλης. Και ακόμα καλύτερα, θα μας πει ότι η Φύση είναι θεμελιωδώς υπερσυμμετρική.

Υπάρχει μια απτή αίσθηση ενθουσιασμού για το τι μπορεί να βρει ο επιταχυντής LHC τα επόμενα χρόνια. “Θα είμαι ευτυχής εάν αυτό είναι η υπερσυμμετρία," λέει ο Seiberg. "Αλλά θα είμαι επίσης ευτυχής αν είναι κάτι άλλο. Χρειαζόμαστε περισσότερες ενδείξεις από τη φύση. Ο επιταχυντής LHC θα μας δώσει αυτές τις ενδείξεις."

Είναι σωστή η θεωρία χορδών;

Η θεωρία χορδών και η υπερσυμμετρία είναι δύο αναπόδεικτες θεωρίες ακόμη σχετικά με τη σύνθεση του σύμπαντος. Αλλά δεν συνδέονται κατ ‘ανάγκη.

Είναι αλήθεια ότι οι πιο δημοφιλείς παραλλαγές της θεωρίας χορδών παίρνουν ως σημείο εκκίνησης ένα υπερσυμμετρικό σύμπαν. Οι θεωρητικοί των χορδών, οι οποίοι έχουν αντιμετωπίσει από τους άλλους φυσικούς σημαντικές αντιρρήσεις γιατί υποστηρίζουν μια θεωρία που δεν επιβεβαιώνεται στα πειράματα, θα αναπνεύσουν με ανακούφιση αν βρεθεί η υπερσυμμετρία.

Αυτό βέβαια μπορεί να μην ισχύει ακριβώς: το σύμπαν θα μπορούσε να είναι υπερσυμμετρικό αλλά η θεωρία των χορδών να μην είναι σωστή. Αντίθετα, με το μέγεθος των ενεργειών που συναντάμε στον LHC, δεν είναι σαφές ότι η υπερσυμμετρία αποτελεί προϋπόθεση για τη θεωρία των χορδών. “Είναι πιο εύκολο να κατανοήσουμε τη θεωρία χορδών, αν υπάρχει υπερσυμμετρία στον επιταχυντή LHC," αναφέρει ο Edward Witten, ένας θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, “αλλά δεν είναι σαφές ότι είναι μια λογική απαίτηση."

Αν υπερσυμμετρία λειάνει το δρόμο για τη θεωρία των χορδών, ωστόσο, αυτό θα μπορούσε να είναι ένα αποφασιστικό βήμα προς μια θεωρία που θα λύνει το μεγαλύτερο άλυτο πρόβλημα της φυσικής: γιατί η βαρύτητα φαίνεται τόσο διαφορετική από όλες τις υπόλοιπες δυνάμεις της φύσης. Αν το κάνει, τότε η υπερσυμμετρία πραγματικά θα μπορούσε να έχει όλες τις απαντήσεις.

Πηγή: NewScientist

——————————————————————————————————————–

Η ταξινόμηση των στοιχειωδών σωματιδίων

Δύο τύποι στατιστικής χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τα στοιχειώδη σωματίδια και, επίσης, τα σωματίδια ταξινομούνται βάσει της στατιστικής που υπακούουν. Η στατιστική Fermi-Dirac ισχύει για αυτά τα σωματίδια που περιορίζονται από την Απαγορευτική Αρχή του Pauli: τα σωματίδια που υπακούουν στη στατιστική Fermi-Dirac είναι γνωστά ως φερμιόνια. Τα λεπτόνια (ηλεκτρόνιο, μιόνιο, ταυ και τα τρία είδη νετρίνων) καθώς και τα κουάρκ – φυσικά με τα αντισωματίδια τους – είναι φερμιόνια. Δύο φερμιόνια δεν επιτρέπονται να καταλάβουν την ίδια κβαντική κατάσταση.

Η στατιστική Bose-Einstein από την άλλη ισχύει για όλα τα σωματίδια που δεν καλύπτονται από την Απαγορευτική Αρχή, και τέτοια σωματίδια είναι γνωστά ως μποζόνια. Ο αριθμός των μποζονίων σε μια δεδομένη κβαντική κατάσταση δεν είναι περιορισμένη. Γενικά, τα φερμιόνια συνθέτουν τους πυρήνες και τα άτομα, ενώ τα μποζόνια παίζουν το ρόλο του διαδότη (μεταβιβαστή) των δυνάμεων μεταξύ των φερμιονίων: τέτοια σωματίδια είναι το φωτόνιο, τα γκλουόνια και τα σωματίδια W και Z.

Οι βασικές κατηγορίες των σωματιδίων έχουν διακριθεί, επίσης, σύμφωνα και με μια άλλη συμπεριφορά των σωματιδίων. Τα ισχυρά αλληλεπιδρώντα σωματίδια ταξινομήθηκαν είτε ως μεσόνια είτε ως βαρυόνια: γνωρίζουμε ότι τα μεσόνια αποτελούνται από ένα ζεύγος κουάρκ-αντικουάρκ και ότι τα βαρυόνια αποτελούνται από τρία κουάρκ. Τα μέλη της κατηγορίας των μεσονίων είναι πιο βαριά από τα λεπτόνια αλλά γενικά λιγότερο βαριά από το πρωτόνιο και το νετρόνιο, αν και μερικά μεσόνια είναι βαρύτερα και από αυτά τα σωματίδια. Τα ελαφρύτερα μέλη της κατηγορίας των βαρυονίων είναι το πρωτόνιο και το νετρόνιο, και τα βαρύτερα μέλη είναι γνωστά ως υπερόνια.

Στην κατηγορία των μεσονίων και βαρυονίων συμπεριλαμβάνονται ένας αριθμός διαφόρων σωματιδίων, που δεν μπορούν να ανιχνευτούν άμεσα επειδή η διάρκεια ζωής τους, είναι τόσο σύντομη που δεν αφήνουν κανένα ίχνος στο θάλαμο φυσαλίδων. Αυτά τα σωματίδια είναι γνωστά ως καταστάσεις συντονισμού, λόγω μιας αναλογίας μεταξύ του τρόπου δημιουργίας τους και του συντονισμού ενός ηλεκτρικού κυκλώματος.

Το μοντέλο δέχεται ότι κάθε γνωστό σωματίδιο (δείτε τον κάτω πίνακα) έχει έναν υπερσυμμετρικό εταίρο. Η τρέχουσα θεωρητική ερμηνεία για την απουσία των υπερσυμμετρικών εταίρων δέχεται ότι αυτά εξαφανίστηκαν πολύ νωρίς στα πρώτα στάδια της γέννησης του σύμπαντος.

Πάνω: Γνωστά σωματίδια που μεταφέρουν δυνάμεις (μποζόνια) και οι πιθανοί υπερσυνεργάτες ή υπερεταίροι τους (που είναι φερμιόνια)

Πάνω: Γνωστά σωματίδια που φτιάχνουν την ύλη (φερμιόνια) και οι πιθανοί υπερσυνεργάτες ή υπερεταίροι τους (που είναι μποζόνια)

 Δείτε και τα σχετικά άρθρα

1. Η θεωρία της υπερσυμμετρίας ή Susy

2. Εναλλακτικές θεωρίες με ελαφρά σωμάτια Higgs

3. Ο επιταχυντής, το σωματίδιο και η θεωρία για το πεπρωμένο

4. LHC: Η μεγαλύτερη μηχανή στον κόσμο

5. Ο επικεφαλής του CERN θέλει να κατασκευάσει και τον επόμενο μεγάλο γραμμικό επιταχυντή