Τρεις δεκαετίες θεωρητικής ανάλυσης και υπολογισμών. Ολόκληρες σταδιοδρομίες φυσικών ξοδεύτηκαν για να κατασκευάσουν νέες ιδέες. Εννέα δισεκατομμύρια δολάρια επενδύθηκαν σε ένα υπόγειο δακτύλιο που εκτείνεται ανάμεσα σε δύο κράτη. Δέκα χιλιάδες αφοσιωμένοι επιστήμονες και μηχανικοί που αναζητούν ανάμεσα στα σωματίδια των συγκρούσεων μια νέα φυσική, κάτι που ισοδυναμεί την αναζήτηση βελόνας σε άχυρα. Όλοι αυτοί κατευθύνονται για τη στιγμή που θα την βρούνε. Μέσα δε στους θαλάμους του CERN, που όλοι κρατούν την ανάσα τους βλέποντας τα στοιχεία, μπορείτε να ακούσετε πολύ νευρικά γέλια από το άγχος των ερευνητών.
Μιλάμε για την υπερσυμμετρία ή SUSY, μια θεωρία που οι περισσότεροι φυσικοί πιστεύουν ότι θα τους οδηγήσει πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, στο πραγματικό μοντέλο για το πώς αλληλεπιδρούν τα σωματίδια και οι δυνάμεις. Πράγμα που σημαίνει ότι θα είμαστε ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση για το πως λειτουργεί η Φύση.
Οι φυσικοί με πείσμα ψάχνουν για αυτήν μέσα στα συντρίμμια που προέρχονται από τη σύγκρουση των σωματιδίων από τα ATLAS και CMS, δύο πειράματα στον επιταχυντή LHC. Ένα χρόνο μέσα στα συντρίμμια τους δεν έχουμε δει κάποιον υπαινιγμό για τα σωματίδια της SUSY, με μάζες μέχρι 700 GeV – σαφώς εντός των θεωρητικών ορίων που περιμένουμε να καραδοκούν τα σωματίδια αυτά.
Ήδη έχουν εξαπλωθεί φήμες περί του θανάτου της SUSY και κάποιες εναλλακτικές θεωρίες περιμένουν στην ουρά για την αντικατάσταση της. Αλλά για πολλούς φυσικούς, όπως ο νομπελίστας καθηγητής του MIT Frank Wilczek, η SUSY είναι πάρα πολύ όμορφη για να είναι λάθος. "Θα φαινόταν ιδιαίτερα σκληρή σε μας η φύση αν μας έπαιρνε πίσω αυτή την θεωρία, και τότε όλα αυτά απλά θα ήταν ένα αστείο”.
Η υπερσυμμετρία υποδηλώνει ότι οι δύο βασικοί τύποι σωματίδια που αποτελούν τον κόσμο μας – τα φερμιόνια, που σχηματίζουν την ύλη όπως τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ, και τα μποζόνια, τα σωματίδια-φορείς των δυνάμεων όπως είναι το φωτόνιο και τα γκλουόνια – είναι απλά οι δύο όψεις ενός και μόνο σωματιδίου.
Περιπλέκοντας τα προβλήματα
Είναι μια κομψή ιδέα και αν είναι σωστή, θα μπορούσε να λύσει μερικά από τα πιο πολύπλοκα προβλήματα στη φυσική. Αυτή η θεωρία προσδίδει στο μέχρι τώρα άπιαστο σωματίδιο Higgs, που όπως πιστεύεται είναι υπεύθυνο για να δίνει μάζα σε κάθε άλλο γνωστό σωματίδιο, την σωστή μάζα οπότε εμποδίζει από την κατάρρευση ολόκληρο το οικοδόμημα της φυσικής σωματιδίων. Χωρίς την SUSY, η μάζα του Higgs επηρεάζεται έντονα από την κβαντική συμπεριφορά του κενού.
Δεδομένου ότι αυτό το σωματίδιο Higgs αλληλεπιδρά με τα εικονικά σωματίδια του κενού, η μάζα του ανεβαίνει στα ύψη, αυξάνεται δηλαδή τόσο πολύ που το κανονικό μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής καταρρέει. Εδώ όμως η θεωρία SUSY σώζει την κατάσταση – για κάθε αλληλεπίδραση με τα εικονικά σωματίδια, που αναγκάζει το σωματίδιο Higgs να αποκτήσει μάζα πάνω από την κανονική, υπάρχει μια s-virtual αλληλεπίδραση (δηλαδή με τα εικονικά υπερ-σωματίδια της SUSY) που την οδηγεί πίσω, να έχει την κανονική μάζα.
Είναι εξίσου σημαντικό, ότι η SUSY ενοποιεί τις τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις στο καθιερωμένο μοντέλο, γεγονός που υποδηλώνει ότι ο ηλεκτρομαγνητισμός, η ισχυρή και η ασθενής πυρηνική δύναμη συγχωνεύονται σε μία ενιαία υπερδύναμη στις υψηλές ενέργειες.
Ενώ το στάνταρτ μοντέλο αποτυγχάνει να ενοποιήσει τις τρείς δυνάμεις σε μια ενιαία ενέργεια (όπως νομίζουμε ότι ήταν στις απαρχές του σύμπαντος), η SUSY πετυχαίνει την ενοποίηση τους σε ενέργειες της τάξης των 1015. GeV
Η σκοτεινή ύλη
Επιπλέον, η SUSY μας παρέχει ένα ιδανικό υποψήφιο σωματίδιο για τη μυστηριώδη σκοτεινή ύλη που φαίνεται να συγκρατεί τους γαλαξίες, που αντιπροσωπεύει, περίπου, το 80% όλης της ύλης στο σύμπαν. Φαίνεται μάλιστα η ίδια να είναι ένα βασικό συστατικό στη θεωρία χορδών, οδηγώντας τους φυσικούς σε μια θεωρία των πάντων, που θα ενώσει τελικά τη βαρύτητα με τις άλλες τρεις δυνάμεις.
Καμιά δε ανταγωνιστική θεωρία δεν είναι σε θέση να επιλύσει και τα τέσσερα προβλήματα μονομιάς. Αυτό είναι που κάνει την SUSY τόσο ακαταμάχητα και εξηγεί γιατί τόσοι φυσικοί αγωνιούν.
Βεβαίως, δεν σκέφτονται όλοι οι φυσικοί έτσι. «Εγώ ποτέ δεν πίστεψα στην θεωρία SUSY ούτως ή άλλως," λέει ο φυσικός Jonathan Butterworth του Πανεπιστημιακού Κολλεγίου του Λονδίνου, ο οποίος εργάζεται στο πείραμα ATLAS του LHC. Ο Butterworth παραδέχεται, ωστόσο, ότι η αναζήτηση στον LHC έχει μόλις αρχίσει. «Θα ήταν έκπληξη αν μας είχε δείξει από τώρα τι συμβαίνει», υποστηρίζει, εξηγώντας ότι ο επιταχυντής LHC θα συγκεντρώσει 20-πλάσια δεδομένα μέχρι το τέλος του έτους αυτού, ή 10-πλάσια από αυτά μέχρι το τέλος του 2012. “Υπάρχει αρκετός χρόνος για να εμφανιστεί η SUSY."
Και ο Kenneth Lane του Πανεπιστημίου της Βοστώνης συμφωνεί. «Οι υποψίες για το θάνατο της υπερσυμμετρίας είναι πρόωρες», αναφέρει. «Όμως αυτό είναι το μόνο ωραίο πράγμα που θα πω γι ‘αυτό το θέμα."
Πέμπτη δύναμη
Ο Lane προτιμά μια εναλλακτική θεωρία. Μαζί με τον φυσικό Estia Eichten στην Batavia του Illinois, έδειξαν ότι τα σωματίδια θα μπορούσε να αποκτήσουν τις μάζες τους και χωρίς το μποζόνιο Χιγκς, αν υπάρχει στη φύση μία πέμπτη δύναμη εκτός από τις τέσσερις που γνωρίζουμε. Αυτή η 5η δύναμη είναι παρόμοια με την ισχυρή δύναμη, η οποία δεσμεύει μαζί τα κουάρκ, αλλά λειτουργεί σε πολύ υψηλές ενέργειες. "Υπάρχει ήδη ένα προηγούμενο για αυτό στη φύση," υποστηρίζει ο Lane, προσθέτοντας ότι θα μπορούσε να μας προσφέρει,ι επίσης, κι ένα νέο υποψήφιο σωματίδιο για τη σκοτεινή ύλη: το technicolour.
Ο LHC όμως θα μπορέσει να θέσει τη θεωρία αυτή σε δοκιμασία. Κι όπως τα κουάρκ ζευγαρώνουν για να σχηματίσουν τα μεσόνια, έτσι και τα σωματίδια techniquarks ζευγαρώνουν για να σχηματίσουν τα technimesons με μάζες που κυμαίνονται από 250 έως 700 GeV – που είναι στην εμβέλεια του LHC. Αν λοιπόν υπάρχουν τα σωματίδια technimesons της νέας θεωρίας, ο LHC θα πρέπει να τα ανακαλύψει μέσα στα επόμενα χρόνια.
Ο Lane ήδη έχει βάλει ένα στοίχημα ότι αυτή η αουτσάιντερ θεωρία θα επικρατήσει. Σε μια συνέντευξη το 1994, ο Lane ήταν σε δείπνο με τους νομπελίστες Gerard ‘t Hooft και David Gross. «Είχαμε πιεί πολύ κρασί οπότε ο David και εγώ βάλαμε ένα στοίχημα για το αν η SUSY θα βρεθεί στον LHC, αφού οι φυσικοί μάζευαν μια ορισμένη ποσότητα δεδομένων», λέει ο Lane. "Ο ηττημένος πρέπει να καλέσει τον άλλο σε δείπνο σε ένα εστιατόριο τριών αστέρων."
Η ύστατη θεωρία
Από την πλευρά του, ο Jonathan Butterworth στο Κολλέγιο του Λονδίνου έχει βάλει στοίχημα σε κάτι εντελώς απρόβλεπτο. «Νομίζω ότι ίσως υπάρχει μια ολόκληρη νέα σειρά δυνάμεων», υποστηρίζει. «Απλώς πιστεύω ότι η φύση είναι πιο πιθανό να μας εκπλήσσει από το να ταιριάζει με τις εικασίες μας».
Όμως ο Frank Wilczek του MIT βάζει όλα του τα χρήματα πάνω στην SUSY. "Ευχαρίστως να στοιχηματίσουμε, και μάλιστα με καλές αποδόσεις, ότι θα δούμε κάποια μορφή της SUSY στα 10 προσεχή χρόνια."
Αυτή δε θα βοηθήσει ώστε να ριχτεί φως και σε ένα άλλο μυστήριο της υπερσυμμετρίας – το γιατί αυτή δεν είναι απόλυτα συμμετρική. Αν συνέβαινε να είναι συμμετρική τότε τα “s-particles" (τα συμμετρικά ξαδέλφια των σωματιδίων) θα ζύγιζαν όσο και τα κανονικό ξαδέρφια τους – και θα τα είχαμε δει μέχρι τώρα. Αντίθετα, οι φυσικοί πιστεύουν ότι η υπερσυμμετρία είναι σπασμένη, με τα s-particles να ζυγίζουν περισσότερο από ότι τα αντίστοιχα σωματίδια του στάνταρτ μοντέλου.
«Δεν υπάρχει συναίνεση στους φυσικούς για το πώς είναι σπασμένη η SUSY," λέει ο Frank Wilczek. Πολλά μοντέλα της υπερσυμμετρίας εμπλέκουν την βαρύτητα στη διαδικασία αυτή, οπότε αν ο LHC έχει βρει σημάδια της SUSY, θα μπορούσε να εγκαινιαστεί ένας τρόπος για να συγχωνεύσουμε την βαρύτητα με τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις, παρέχοντας έτσι μια τελική θεωρία των πάντων.
Εάν η υπερσυμμετρία δεν είναι πραγματική
Η SUSY επιλύει τέσσερις γρίφους με τη μία, αλλά υπάρχουν και άλλες θεωρίες που μπορούν να τους επιλύσουν με τον ίδιο τρόπο:
Θεωρίες που κάνουν τη δουλειά του Higgs
1. Technicolour: Πρόκειται για μια πέμπτη δύναμη, παρόμοια με την ισχυρή δύναμη που δεσμεύει τα κουάρκ, αλλά σε υψηλότερες ενέργειες, δίνοντας μας σωματίδια με μάζα χωρίς την ανάγκη για το σωματίδιο Χιγκς
2. Ολογραφικό technicolor Εάν η δύναμη technicolor έχει την ίδια ισχύ σε μια σειρά ενεργειακές κλίμακες, τότε είναι μαθηματικά ισοδύναμο με μια στρεβλή γεωμετρία του χωροχρόνου σε πέντε διαστάσεις, απλουστεύοντας έτσι τις εξισώσεις του Technicolor
3. Μικρό Higgs Αυτό το νέο είδος της συμμετρίας δίνει στο Higgs του στάνταρτ μοντέλου τη σωστή μάζα. Τα φερμιόνια είναι εταίροι με νέα, πιο βαριά φερμιόνια και τα μποζόνια με νέα, πιο βαριά μποζόνια
Θεωρίες που ενοποιούν τον ηλεκτρομαγνητισμό, την ασθενή και την ισχυρή πυρηνική δύναμη
1. Το μοντέλο Randall-Sundrum. Το σύμπαν μας υπάρχει σε μια 4-διάστατη βράνη που περιβάλλεται από πέντε στρεβλωμένες διαστάσεις. Μέσα στον στρεβλό 5-διάστατο κόσμο, όλες οι δυνάμεις έχουν την ίδια ισχύ. Φαίνονται διαφορετικές από εμάς, λόγω της περιορισμένης προοπτικής μας
2. Πολυσύμπαν: Εάν υπάρχει ένας άπειρος αριθμός από σύμπαντα, θα μπορούσαμε να τυχαίνει να ζούμε σε ένα από αυτά με δυνάμεις που η ισχύς τους είναι αυτές που παρατηρούμε – ίσως επειδή είναι ένα από τα λίγα σύμπαντα, που θα μπορούσαν να υποστηρίξουν τη ζωή. Αν όντως έτσι έχουν τα πράγματα, τότε οι δυνάμεις μπορεί να μην ενοποιούνται.
Θεωρίες για τη σκοτεινή ύλη
1. Technicolour: Η σκοτεινή ύλη θα είναι φτιαγμένη από ένα σωματίδιο σαν το νετρόνιο από "technifermions"
2. Axions: υποθετικά σωματίδια 500 εκατομμύρια φορές ελαφρύτερο από ένα ηλεκτρόνιο
3. Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική (MOND) Σε αυτή τη θεωρία, δεν υπάρχει σκοτεινή ύλη. Αντ ‘αυτής, ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα είναι τροποποιημένος κατά τρόπο που να εξηγεί τις παρατηρούμενες κινήσεις των γαλαξιών
Συστατικό Κλειδί για τη θεωρία των χορδών
Ο Βρόχος Κβαντικής Ναρύτητας (LQG): Δεν είναι σαφές ότι απαιτείται η SUSY για τη θεωρία των χορδών, αλλά η απουσία της SUSY θα ενισχύσει εναλλακτικές λύσεις, όπως η LQG, γεγονός που σημαίνει ότι ο χώρος είναι κτισμένος από διακριτές μονάδες της γεωμετρίας
Πηγή: New Scientist
Leave a Comment