Τα βαρυτικά κύματα μπορεί να κρατάνε το κλειδί για την υπερσυμμετρία

Πηγή: PhysOrg, 5 Νοεμβρίου 2008

Στο CERN γίνεται μια μεγάλη προσπάθεια για την ανακάλυψη των υπερσυμμετρικών σωματιδίων.  Όμως δεν είναι ο μόνος τρόπος για να βρεθούν αυτά τα σωματίδια,  ίσως μπορέσουμε να τα δούμε και στον ουρανό μέσα από την παρατήρηση των κυμάτων βαρύτητας.

Γι αυτό ο Anupam Mazumdar, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Lancaster, συνεργάστηκε με τον Alex Kusenko στο Πανεπιστήμιο του Λος Άντζελες για να βρει σε προσομοιώσεις τι είδους συχνότητα κατανομής θα προκύψει από την κατάτμηση ενός ασταθούς βαθμωτού συμπυκνώματος. Οι δύο ερευνητές λένε ότι μια σειρά από συσκευές, το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων LIGO, το Διαστημικό Παρατηρητήριο LISA και το Big Bank Observer (BBO), θα είναι σε θέση να εντοπίσουν τα βαρυτική κύματα.

Η μελέτη τους θα δημοσιευτεί  στο Physical Review Letters με τίτλο "Κύματα βαρύτητας από τον κατακερματισμό του πρωταρχικού βαθμωτού συμπυκνώματος σε Q-σφαίρες".

Η υπερσυμμετρία που είναι ακόμα σε επίπεδο θεωρίας αναπτύχθηκε για να προχωρήσει πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο της φυσικής, με την εισαγωγή σωματιδίων που μπορούν να λύσουν κάποια από τα προβλήματα που δεν μπορούν να λυθούν με τα υπάρχοντα γνωστά σωματίδια. Στην υπερσυμμετρία, τα γνωστά σωματίδια με τα οποία είμαστε εξοικειωμένοι έχουν έναν υπερ-εταίρο (superpartner), που διαφέρει από το κανονικό σωματίδιο κατά μισό σπιν. Για παράδειγμα, οι υπερ-εταίροι των φερμιονίων είναι τα s-φερμιόνια.

"Το κύματος βαρύτητας είναι θεμελιώδη για την θεωρία του Αϊνστάιν", λέει ο Mazumdar. "Αλλά δεν τα έχουμε ακόμη δει στις  συχνότητες που περιγράφονται. Ωστόσο, ο πρωταρχικός πληθωρισμός είναι μία από τις πολλές κοσμικές πηγές που θα μπορούσαν να παραχθούν αυτά τα κύματα".

Τα κύματα βαρύτητας που περιγράφονται από τους Mazumdar και Kusenko αρχίζουν ως ένα συμπύκνωμα που σχηματίστηκε στις απαρχές του σύμπαντος από S-φερμιόνια.

"Σε κάποιο σημείο," εξηγεί ο Mazumdar, "το συμπύκνωμα ξεκινά να πάλλεται λόγω της παρουσίας της βαθμωτής μάζας των S-φερμιονίων, που η μάζα τους καθορίζεται περίπου από το μέγεθος της υπερσυμμετρικής ρήξης. Λόγω της εγγενούς φύσης των κβαντικών διορθώσεων το συμπύκνωμα δεν είναι απόλυτα σταθερό και σπάει κατά τη διάρκεια των σύμφωνων ταλαντώσεων. Η διαδικασία του κατακερματισμού οδηγεί στο σχηματισμό των μη-τοπολογικών σολιτονίων, γνωστών ως Q-balls. Επειδή η διαδικασία κατακερματισμού είναι πολύ βίαιη και ανισοτροπική, θα παράγονται από αυτήν κύματα βαρύτητας. "Αυτά τα κύματα, λέει ο Mazumdar, έχουν πλάτος και συχνότητα που μπορούν να ανιχνευτούν από το LIGO.

Ο Mazumdar πιστεύει ότι υπάρχουν πολλές ελπίδες να βρεθούν στοιχεία για την υπερσυμμετρία στον επιταχυντή LHC, όταν αυτός θα είναι πλήρως λειτουργικός, αλλά δεν είναι το μόνο μέρος όπου μπορεί κανείς να αναζητήσει σημάδια των υπερσυμμετρικών σωματιδίων. Επιπλέον, επισημαίνει, πως αν η απόδειξη της υπερσυμμετρίας δεν μπορεί να βρεθεί στο LHC, τότε ατενίζοντας το σύμπαν μπορούμε με κοσμολογικές εξελιγμένες συσκευές παρατήρησης - ειδικά με το LIGO - να δούμε την απόδειξη της υπερσυμμετρίας. Το μοντέλο τους δείχνει συχνότητες που το LIGO είναι ευαίσθητο. Επίσης, δείχνουν πως οι συχνότητες αυτές είναι δυνατόν να διακριθούν από δυαδικά συστήματα, μαύρες τρύπες και πάλσαρ, τα οποία επίσης παράγουν κύματα βαρύτητας.

"Η συχνότητα που δείχνουμε στη μελέτη μας έχει ένα ευρύτερο φάσμα, και η μοναδικότητα της μπορεί να προσκομίσει αποδείξεις για την παρουσία του συμπυκνώματος των S-φερμιονίων", συνεχίζει. "Ένα τέτοιο συμπύκνωμα θα μπορούσε επίσης να διογκώσει το πρωταρχικό σύμπαν, ενώ εξηγεί την προέλευση των λεπτών διαταραχών στην Κοσμική Μικροκυματική Ακτινοβολία."

Ωστόσο, παραδέχεται ο Mazumdar, μπορεί να χρειαστεί χρόνος για να ανιχνευτούν αυτά τα κύματα και να τα παρατηρήσουμε. "Ελπίζουμε να εντοπίσουμε αυτά τα κύματα σε 4 έως 5 χρόνια στο  LIGO. Οι επιστήμονες μπορούν να βρουν αποδείξεις για την υπερσυμμετρία στο LHC, αλλά ευχόμαστε να βρούμε συνδέσεις με αυτά και στην κοσμολογία."

Τα Q-Ball είναι σολιτόνια που οφείλουν τη σταθερότητά τους στη διατήρηση του συνολικού φορτίου τους. Το όνομα Q-Ball δόθηκε πριν 25 χρόνια περίπου από τον Sidney Coleman, φυσικό στο Πανεπιστήμιο του Harvard, για να εκφράσει ενεργειακές "σφαίρες" οι οποίες, όπως πιστεύουμε σήμερα, δημιουργήθηκαν στην απαρχή του σύμπαντος, ενώ το γράμμα Q χρησιμοποιήθηκε για να εκφράζει την ιδιότητα που καθιστά δυνατή τη σταθερότητα των Q-Balls επ΄αόριστο.

Από την άλλη με τον όρο σολιτόνια, εννοούμε εντοπισμένες διαταραχές οι οποίες διαδίδονται μέσα σε ένα σύστημα αλληλοσυγκρουόμενες χωρίς να αλλάζουν σχήμα μετά τη σύγκρουση.

Πολλοί κοσμολόγοι πιστεύουν πως τα σολιτόνια υπάρχουν ακόμα μέσα στο σύμπαν και αποτελούν ένα πολύ μεγάλο μέρος της σκοτεινής ύλης που διαχέεται ανάμεσα στους γαλαξίες.

Εισήχθηκαν προκειμένου να υποστηριχθεί η θεωρία της Υπερσυμμετρίας ή SUSY. Στόχος της εν λόγω θεωρίας είναι η ενοποίηση των δυνάμεων που επικρατούν στη φύση, της βαρυτικής, της ηλεκτρομαγνητικής, της ισχυρής πυρηνικής και της ασθενούς πυρηνικής σε μια και μοναδική δύναμη που πιστεύεται ότι υπήρξε πριν τη Μεγάλη ΄Έκρηξη.

Όπως γνωρίζουμε όταν η υπερσυμμετρία σπάσει όχι αυθόρμητα, αλλά με τη δράση της βαρύτητας, σχηματίζονται διάφορες εξωτικές καταστάσεις πεδίων. Αυτές με κάποιους μηχανισμούς αποκτούν μάζα. Μια από αυτές συμπεριφέρεται σαν σολιτόνιο, δηλαδή σαν ένα μοναχικό κύμα-μια μοναχική κορυφή που ταξιδεύει στο χώρο- χωρίς να παθαίνει σημαντική απόσβεση για τεράστιες αποστάσεις. Αυτή την κατάσταση ονόμασαν Q-ball. Άλλες τέτοιες εξωτικές καταστάσεις είναι τα μονόπολα, οι κοσμικές χορδές κλπ. Όλες αυτές οι μορφές υποτίθεται ότι σχηματίστηκαν κατά τις αλλαγές φάσης του σύμπαντος. Μπορεί λοιπόν να σχηματίστηκαν ως μικροσκοπικά αντικείμενα κατά τις στιγμές μετά το Big Bang αλλά αν κατάφεραν να επιζήσουν μέχρι σήμερα θα έχουν γίνει γιγαντιαία