Την περασμένη εβδομάδα έγινε το Συμπόσιο Φαινομενολογία 2012 στο Πίτσμπουργκ, γνωστό ως Pheno 2012. Το Συμπόσιο αναφέρεται συγκεκριμένα στην πρακτική της πρόβλεψης και ανάλυσης των αποτελεσμάτων των πειραμάτων φυσικής των σωματιδίων, καθώς και την εξέταση του ενδεχομένου μιας «νέας φυσικής» – γεγονότα που δεν προβλέπεται από το Καθιερωμένο Μοντέλο των σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεων – που μπορεί να εμφανιστεί σε πειράματα όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC).
Η σωματιδιακή φυσική είναι η μελέτη των σωματιδίων που συνθέτουν τη συνηθισμένη ύλη, τα κουάρκ, τα ηλεκτρόνια, και ούτω καθεξής- μαζί με τα πιο εξωτικά ξαδέρφια τους που παράγονται σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας. Οι επιταχυντές αναγκάζουν τα σωματίδια να έρθουν σε υψηλές ταχύτητες και μετά να συνθλίβονται μαζί για να εξεταστεί σχολαστικά η εσωτερική δομή των πυρήνων και οι δυνάμεις που αναγκάζουν την ύλη να συγκρατείται μαζί. Οι ασθενείς και ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις διαδραματίζουν ένα σημαντικό ρόλο στις υψηλές ενέργειες, μαζί με δυνητικά ενδιαφέρουσες νέες δυνάμεις και νέα σωματίδια που όμως δεν έχουν ανακαλυφθεί ακόμη.
Οι ενέργειες που εμπλέκονται εδώ είναι επαρκείς για την πρόσβαση των κουάρκ, που κανονικά είναι κλειδωμένα μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια. Αλλά επίσης είναι ικανές να καταστήσουν δυνατή τη δημιουργία νέων σωματιδίων, μια διαδικασία που περιγράφεται στον διάσημο τύπο του Αϊνστάιν E = mc2. Αν έχετε αρκετή ενέργεια στις συγκρούσεις, κάποιες από αυτές θα μετατραπεί σε μάζα, με τη μορφή ενός σωματιδίου.
Λόγω της σχέσης μεταξύ της μάζας και της ενέργειας που δίνεται από τη σχετικότητα, οι σωματιδιακοί φυσικοί βρίσκουν βολικό να γράφουν τις μάζες σε μονάδες ενέργειας, ειδικά ηλεκτρονιοβόλτ [eV]. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια έχουν μάζα περίπου 0,5 MeV, ενώ τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν μάζα περίπου 940 MeV.
Αλλά γιατί απαιτείται μια νέα φυσική; Μια σειρά από λόγους που έχουν ευρέως συζητηθεί, περιλαμβανομένης της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης που αποτελεί περίπου το 80% όλης της ύλης στο Σύμπαν. Η σκοτεινή ύλη δεν είναι αποδεδειγμένο ότι αποτελείται από συνηθισμένα σωματίδια – κουάρκ, ηλεκτρόνια, ή οποιοδήποτε από τα άλλα συστατικά της κανονικής ύλης. Ένας άλλος λόγος είναι ότι, ενώ το Καθιερωμένο Μοντέλο παρέχει μια καλή περιγραφή των ηλεκτρομαγνητικών και πυρηνικών δυνάμεων, δεν περιλαμβάνουν τη βαρύτητα.
Ένα βασικό συμπέρασμα του συμπόσιου Pheno 2012 ήταν ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν είναι τέλειο, αλλά οι εναλλακτικές λύσεις φαίνονται τώρα χειρότερες. Μερικά από τα κύρια θέματα του συμποσίου ήταν τα παρακάτω.
Μέχρι στιγμής, ο ανιχνευτής CMS δεν έχει εντοπίσει ενδείξεις για υπερσυμμετρικά σωματίδια ούτε το Higgs
Στο κυνήγι του Higgs
Οι ομιλίες επικεντρώθηκαν στην αναζήτηση του μποζονίου Higgs, το σωματίδιο που δίνει μάζα στα μποζόνια W και Z (τους φορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης που μεσολαβούν στη ραδιενεργό διάσπαση). Το μποζόνιο προβλέπεται από το Καθιερωμένο Μοντέλο και από άλλες θεωρίες, αλλά η ύπαρξή του είναι ακόμα ανεπιβεβαίωτο από το πείραμα. Ωστόσο, τα αποτελέσματα από τους ανιχνευτές ATLAS και CMS του LHC, μαζί με τον CMS στο Fermilab, δείχνουν μια πιθανή ανίχνευση με σχεδόν την ίδια ενέργεια. Ο επιταχυντής LHC ψάχνει για το μποζόνιο συντρίβοντας πρωτόνια σε υψηλά κλάσματα της ταχύτητας του φωτός. Ο Tevatron του Fermilab χρησιμοποιεί πρωτόνια και αντιπρωτόνια.
Ένα πιθανό γεγονός που θα δούμε στον ανιχνευτή ATLAS αν υπάρχει το Higgs
Τα σωματίδια όμως δεν έχουν ετικέτες ονομάτων. Οι ανιχνευτές έτσι δεν μπορούν αυτόματα να διακρίνουν κάθε πράγμα που παράγεται στις συγκρούσεις υψηλής ενέργειας. Έτσι, η δουλειά της φαινομενολογίας σωματιδίων είναι να πάρει τον τεράστιο αριθμό των ανιχνεύσεων και να προσπαθήσει να πάει προς τα πίσω, για να βρει τα σωματίδια που τα προκάλεσε. Είναι μια πρόκληση στην περίπτωση του Χιγκς, γιατί η θεωρία μας λέει ότι είναι τόσο ηλεκτρικά ουδέτερο (που σημαίνει ότι δεν έχει καμία ηλεκτρομαγνητική υπογραφή) και σύντομης διάρκειας (διασπάται πολύ γρήγορα σε άλλα σωματίδια). Το Στάνταρτ Μοντέλο (SM) δεν προβλέπει ακριβώς ποιά πρέπει να είναι η μάζα του Higgs, είτε, αν περιορίζεται από τις μάζες άλλων σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένου του μποζονίου W. Αυτή η μάζα έχει μετρηθεί από το Tevatron με υψηλή ακρίβεια, όπως εξηγεί ο Weiming Yao στο Εργαστήριο Lawrence του Berkeley.
Επιπλέον, η SM προβλέπει μια ποικιλία πιθανών διαδικασιών διάσπασης για το μποζόνιο, συμπεριλαμβανομένης της διάσπασης σε δύο φωτόνια, δύο μποζονίων W, ή δύο μποζόνια Z. Ο Dieter Zeppenfeld του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καρλσρούης περιέγραψε την πιθανή διάσπαση σε δύο Ζ ως το "επίχρυσο" μέρος του ενεργειακού φάσματος: γιατί είναι δύσκολο να μπερδέψουμε αυτό το είδος της διάσπασης με οποιαδήποτε άλλη διαδικασία. Στην πραγματικότητα, ο LHC ήταν σε θέση να αποκλείσει ένα ευρύ φάσμα πιθανών μαζών του Χιγκς – δεν υπάρχει καθόλου σήμα που να αντιστοιχεί σε διάσπαση σε δύο Z μποζόνια, με ένα υψηλό βαθμό εμπιστοσύνης.
Από την άλλη πλευρά, οι τρεις ανιχνευτές – ATLAS, CMS, και CDF – βρήκαν ένα μικρό μήνυμα που αντιστοιχεί σε δύο τρόπους διάσπασης ή σε δύο φωτόνια ή σε δύο W. Η ενέργεια ηρεμίας είναι περίπου 125 GeV με μικρό περιθώριο, όπως εξήγησε η Mia Tosi, του Πανεπιστημίου της Πάντοβα. Και οι τρεις ανιχνευτές βρήκαν κάτι σε αυτή την ενέργεια που υποδηλώνουν μια επιτυχία. Αλλά ο Alex Martyniuk από το Πανεπιστήμιο της Victoria σοφά αρνήθηκε να προσδιορίσει την πιθανότητα η διαπίστωση αυτή να είναι πραγματική. Μιλώντας ορισμένοι φυσικοί μετά τη σύνοδο, συμπέραναν ότι φαίνεται να είναι το σήμα ίσως πραγματικό, αλλά μπορεί να υπάρχει κάποιο κρυφό συστηματικό πρόβλημα κοινό μεταξύ των ανιχνευτών. Είναι απίθανο ένα τέτοιο πρόβλημα, αλλά δεν μπορεί να αποκλειστεί εντελώς.
Το 2012 ο LHC θα αυξήσει την ποσότητα των δεδομένων που θα βρίσκει κατά έναν παράγοντα 10, που πρέπει να δείξουν αν η ανίχνευση στα 125 GeV είναι πραγματική ή όχι. Αλίμονο, το Tevatron θα κλείσει για δημοσιονομικούς λόγους, κι έτσι οι Ηνωμένες Πολιτείες δεν θα έχουν πλέον έναν επιταχυντή που να μπορεί να συμμετέχει στο κυνήγι Higgs.
Σαν τελική παρατήρηση, όχι μόνο είναι δυνατό το σήμα στα 125 GeV να εξαφανιστεί, αλλά εξακολουθεί να είναι δυνατό το μποζόνιο Higgs να μην υπάρχει καθόλου. Ενώ αυτό το γεγονός θα ήταν ένα μεγάλο πλήγμα για το SM, δεν είναι δα και το τέλος της φυσικής, όπως την γνωρίζουμε. Ωστόσο, θα χρειαστεί ένα πρόσθετο κομμάτι μιας νέας φυσικής για να εξηγήσουμε γιατί τα μποζόνια W και Ζ συμπεριφέρονται έτσι όπως κάνουν.
Η SUSY
Ενώ πολλοί από τους συμμετέχοντες στο συνέδριο ήταν πολύ ικανοποιημένοι με την πρόοδο στον επιταχυντή LHC, μια άλλη ομάδα φαινόταν λιγότερο ευτυχισμένοι. Το μποζόνιο Higgs είναι επίσης ένα σωματίδιο μέσα σε ένα πλαίσιο που ονομάζεται υπερσυμμετρία (SUSY), μία κομψή επέκταση του Καθιερωμένου Μοντέλου, που βοηθά στην επίλυση ορισμένων από τις δυσκολίες του. Η περισσότερη από την φυσική στο SM μένει ως έχει, αλλά στη SUSY κάθε σωματίδιο του SM έχει ένα υπερσυμμετρικό εταίρο. Αυτά έχουν, δυστυχώς, κωμική ονόματα: τα κουάρκ συνδυάζονται με τα squarks, το μποζόνιο W συνεργάζεται με το wino και ούτω καθεξής.
Παρά τη χαζή ονοματολογία, η SUSY είναι μια σοβαρή θεωρία. Μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση και του προβλήματος της σκοτεινής ύλης. Ωστόσο, η απλούστερη έκδοση της SUSY, η οποία ονομάζεται μίνιμουμ υπερσυμμετρικό Καθιερωμένο Μοντέλο (MSSM), προβλέπει μια κλίμακα για τη μάζα του μποζόνιου Higgs, που είναι πολύ μεγαλύτερη από τα 125 GeV, ένα πρόβλημα αν τα τελευταία αποτελέσματα κρατηθούν και το 2012 στον LHC.
Μια σημαντική πτυχή της SUSY είναι ότι η συμμετρία μεταξύ των συνηθισμένων σωματιδίων και των υπερσυμμετρικών εταίρων τους, πρέπει να είναι σπασμένη, αλλιώς θα έπρεπε να είχαν παρατηρηθεί αυτά τα πρόσθετα σωματίδια στους επιταχυντές μέχρι τώρα. Αυτή βεβαίως είναι μια σημαντική ανησυχία. Ακόμα αν και η SUSY ήταν στη μία ή την άλλη μορφή από το 1966 και έγινε ένα βιώσιμο φυσικό μοντέλο στη δεκαετία του 1970 και του ’80, δεν έχουμε εντοπίσει κανένα σωματίδιο SUSY μέχρι στιγμής. Όπως επισημάνθηκε από τον Rahmat Rahmat και τον Csaba Csaki, αντίστοιχα από το Πανεπιστήμιο του Μισισιπή και του Πανεπιστημίου Cornell, το LHC θα έπρεπε να είχε ανιχνεύσει κάποια υπογραφή της SUSY μέχρι τώρα, ειδικά εάν η MSSM είναι σωστή. Όπως είπε και ο Csaki, "Η SUSY είναι μια υπέροχη γυναίκα που δεν επιστρέφει τα γράμματά μου. Αυτή σε κάνει να αναρωτιέσαι αν όντως υπάρχει!"
Η SUSY δεν είναι ακόμα νεκρή, ακόμη και με τα 125 GeV του μποζόνιου Higgs. Η επίλυση των προβλημάτων της απαιτεί τροποποιήσεις, πολλές από τις οποίες ξεφεύγουν από την κομψότητα της αρχικής θεωρίας. Μια ανάλυση που είναι γνωστή ως "εξομάλυνση", όπως υποδηλώνει και το όνομα μπορεί να ρυθμίσει με το χέρι ορισμένες παραμέτρους της θεωρίας μέχρι να ταιριάξουν με αυτό που παρατηρήθηκε πειραματικά. Ακόμη όμως πολλοί υποστηρικτές της SUSY νιώθουν άβολα με αυτή την ιδέα, έτσι ώστε να ψάχνουν για άλλους, πιο φυσικούς τρόπους για να διασώσουν τη θεωρία. Αυτοί περιλαμβάνουν (για παράδειγμα) παραλλαγές με πολλαπλά σωματίδια Higgs. Όπως και με το μποζόνιο Higgs, πολλοί ερευνητές περιμένουν τα αποτελέσματα του 2012 στο LHC, που μπορεί να αποκαλύψουν τα σωματίδια SUSY που κρύβονται στα δεδομένα.
Σκοτεινή ύλη
Επειδή η SUSY προβλέπει ένα ευρύ φάσμα νέα αλλά μέχρι τώρα άγνωστα σωματίδια, η SUSY είναι πιθανώς μια καλή εξήγηση για τη σκοτεινή ύλη (DM). Τα περισσότερα από τα στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη (DM) περιλαμβάνουν συνήθως αστροφυσική και κοσμολογία: βλέπουμε τα αποτελέσματά της βαρύτητας της στους γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών, καθώς επίσης και τις διακυμάνσεις της πυκνότητας στο πρώιμο σύμπαν. Ωστόσο, θέλουμε να γνωρίζουμε τι είναι, όπως και πού είναι, και αυτή η απάντηση πρέπει να δίνεται από τη σωματιδιακή φυσική. Πολλές συζητήσεις στο συνέδριο ήταν αφιερωμένες στην φαινομενολογία της DM.
Η πλειοψηφία των αναζητήσεων βασίζονται στην ιδέα ότι h DM αποτελείται από τα ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια με μάζα, ή WIMPs. Το «ασθενώς» που περιλαμβάνεται στο όνομα αναφέρεται στην ασθενή πυρηνική δύναμη. Τα WIMPs δεν αλληλεπιδρούν μέσω της ισχυρής δύναμης, μια ιδιότητα που κατέχουν από κοινού με τα νετρίνα, αλλά αυτά είναι πολύ πιο βαριά, και ως εκ τούτου κινούνται πιο αργά. Τυπικά WIMP μοντέλα τοποθετούν τις μάζες τους στην περιοχή των GeV, η οποία μπορεί να περιλαμβάνει ορισμένους από τους ελαφρύτερους εταίρους που έχουν προβλεφθεί από την SUSY.
Το κυνήγι για την DM κινείται πάνω σε δύο βασικούς άξονες: την παραγωγή της σκοτεινής ύλης σε επιταχυντές, και την άμεση ανίχνευση των κοσμικών σωματιδίων της σκοτεινής ύλης που διέρχεται από τη Γη. Οι συγκρούσεις των υψηλής ενέργειας σωματιδίων μπορεί να παράγουν τη DM, αλλά αυτές δεν θα καταγραφούν με την παραγωγή ενός πίδακα προϊόντων διάσπασης. Αντιθέτως, ο ενεργειακός προϋπολογισμός του πειράματος δεν θα ισορροπήσει, καθώς μέρος αυτής θα μεταφερθεί από τα σωματίδια της DM που φυσικά δεν καταγράφονται στον ανιχνευτή. Προφανώς είναι δύσκολη αυτή η επιχείρηση, και μέχρι στιγμής δεν έχει ανιχνευτεί καμιά σκοτεινή ύλη με αυτό τον τρόπο. Η SUSY αναζητά επίσης για εξαφανισμένους πίδακες σωματιδίων.
Ομιλίες των Aditya Yechan Gunja και Kathryn Zurek περιγράφουν ότι είναι δυνατόν, επίσης, οι μάζες των σωματιδίων της DM να είναι μικρότερες από την κλίμακα GeV και να αλληλεπιδρούν μέσω μιας νέας, ασθενέστερης από την ασθενή πυρηνική δύναμη. Η Zurek τόνισε ότι οι περισσότεροι κυνηγοί της DM υποφέρουν από το «φαινόμενο του φανοστάτη." Ακριβώς όπως ο μεθυσμένος αναζητά τα χαμένα κλειδιά του αυτοκινήτου του, κάτω από την κολώνα, οι φυσικοί αναζητούν την DM σε ενέργειες που έχουμε τα μέσα να τα αναζητήσουμε. Φυσικά τα πραγματικά σωματίδια της μπορούν να κρύβονται αλλού.
Άμεσα πειράματα ανίχνευσης τους, συμπεριλαμβανομένων και των πειραμάτων XENON και CDMS, κυρίως κυνηγούν τα WIMPs με μάζες μεγαλύτερες από 100 GeV. Αν τα πράγματα δεν πάνε όπως έχουν προγραμματιστεί, τότε τα σωματίδια της DM από τον φωτοστέφανο (άλως) του Γαλαξία μας θα αλληλεπιδρούν με άλλους πυρήνες ή ηλεκτρόνια σε ένα πυκνό, ψυχρό μέσο. Μια σχετικά μεγάλη μάζα των WIMP θα πρέπει να παράγει μια πολύ διαφορετική υπογραφή από, ας πούμε τις αλληλεπιδράσεις των νετρίνων. Όπως ανέφεραν διάφοροι ομιλητές στο συνέδριο, δεν υπάρχουν σαφείς ανιχνεύσεις της DM που να έχουν συμβεί ακόμη. Οι περισσότεροι φυσικοί περιμένουν τώρα τις σχεδιαζόμενες αναβαθμίσεις τόσο του XENON όσο και του πειράματος CDMS.
Πολύ πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο
Γνωρίζουμε ότι μια νέα φυσική είναι απαραίτητη, αλλά από τη στιγμή που εμείς αποκλίνουμε από την SM, είμαστε αντιμέτωποι με ένα νέο πρόβλημα: πού θα αναζητήσουμε νέες θεωρίες; Η SUSY (και ειδικά η MSSM) είναι ωραίο ότι αυτή βασίζεται άμεσα στο Καθιερωμένο Μοντέλο. Αλλά υπάρχουν αμφιβολίες για τη βιωσιμότητα της. Γι αυτό μπορεί να χρειαστούν άλλες θεωρίες.
Μια άλλη πιο παλιά ιδέα, γνωστή ως Technicolor, μπορεί να είναι βιώσιμη εάν στο μέλλον ο LHC αδυνατεί να βρει το μποζόνιο Higgs. Όπως εξήγησε η Elizabeth Simmons του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν, η θεωρία εισάγει μια πρόσθετη δύναμη γνωστή ως "Technicolor" μεταξύ των βαρύτερων κουάρκ, του top ή truth κουάρκ. Με την Technicolor, η συμπεριφορά που εμείς αποδίδουμε στο μποζόνιο Higgs παράγεται αντιθέτως στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κουάρκ. Οποιαδήποτε σωματίδιο σαν το Χιγκς διασπάται με διαφορετικούς τρόπους από ό,τι το Higgs του SM, έτσι ώστε να είναι διακριτό με πειραματικό τρόπο. Ωστόσο, όπως και με την SUSY, η απλούστερη μορφή της Technicolor αποκλείεται από τα δεδομένα του LHC, έτσι είναι απαραίτητη μια πιο περίπλοκη έκδοση, εάν θέλουμε να είναι βιώσιμη. Το γεγονός αυτό, δυστυχώς, απομακρύνεται κάμποσο από την κομψότητα, που θα την κάνει μια ελκυστική ιδέα για να αρχίσουμε να δουλεύουμε με αυτήν.
Άλλα δύο σημαντικά θέματα από το Pheno 2012 ήταν η φυσική των κουάρκ και τα νετρίνα, αλλά τα θέματα αυτά ήταν παρόμοιου ενδιαφέροντος με τη σκοτεινή ύλη και το κυνήγι της SUSY. Η νέα φυσική μπορεί να κρύβεται μέσα στα στοιχεία, αλλά χρειαζόμαστε νεότερα πειράματα και περισσότερα δεδομένα για να την βρούμε.
Η εκδήλωση της επόμενης χρονιάς μπορεί να είναι πολύ διαφορετική. Τα αποτελέσματα του 2012 από τον LHC θα μας αποκαλύψουν αν τα 125 GeV του Higgs είναι πραγματικά ή όχι, και θα πρέπει να δούμε περαιτέρω τι συμβαίνει με τη SUSY και τη νέα φυσική. Τα δεδομένα υπόσχονται πολλά. Ο LHC έχει ήδη παράγει τόσες συγκρούσεις όσες είχε στα τέλη του περασμένου Ιουλίου.
Ραντεβού στο Pheno 2013.
Πηγή: ArsTechnica.com
* Τι θα γίνει τελικά αν δεν υπάρχει το μποζόνιο Higgs;
* Τι θα γίνει αν η υπερσυμμετρία είναι λάθος;
* Το Fermilab μπορεί να έχει βρει νέα στοιχειώδες σωματίδιο
Leave a Comment