Rudolf Cole
0 
5149
753
Den regjerende teorien om partikkelfysikk forklarer alt om den subatomiske verden ... bortsett fra delene som den ikke gjør. Og dessverre er det ikke mange smigrende adjektiver som kan brukes på den såkalte Standard Model. Denne teorien om grunnleggende fysikk er bygget opp bit for bit i løpet av flere tiår, og beskrives best som ugudelig, hodgepodge og MacGyver-ed sammen med biter av streng og tyggegummi.
Likevel er det en utrolig kraftig modell som nøyaktig forutsier et enormt utvalg av interaksjoner og prosesser.
Men det har noen blanke mangler: Det inkluderer ikke tyngdekraften; det kan ikke forklare massene av forskjellige partikler, hvorav noen gir styrke; det har ikke noen forklaring på viss nøytrinoatferd; og den har ikke noe svar for eksistensen av mørk materie.
Så vi må finne ut noe. Vi må gå utover standardmodellen for å forstå universet vårt bedre.
Dessverre er mange av de ledende kandidatene for å forklare dette store utover - kalt supersymmetriske teorier - blitt utelukket eller sterkt begrenset de siste årene. Det er fremdeles et Hail Mary-konsept som kan forklare de mystiske delene av universet som ikke dekkes av standardmodellen, men: Langvarige supersymmetriske partikler, noen ganger kalt spartikler for kort. Men deprimerende har et nylig søk etter disse oddballpartiklene kommet tomhendt tilbake. [De 11 største ubesvarte spørsmålene om mørk materie]
Ikke-så-super symmetri
Det desidert mest trendy teoriene som presser grensene for den nåværende standardmodellen er samlet i en klasse ideer kjent som supersymmetri. I disse modellene har de to store leirene med partikler i naturen ("bosoner", som de kjente fotonene; og "fermioner" - som elektroner, kvarker og nøytrinoer) faktisk et underlig slags søskenforhold. Hver eneste boson har en partner i fermion-verdenen, og på samme måte har hver fermion en boson-venn til å kalle sin egen.
Ingen av disse partnerne (eller mer passende i den forvirrende sjargongen av partikkelfysikk - "superpartnere") er blant den normale familien av kjente partikler. I stedet er de typisk mye, mye tyngre, fremmed og generelt mer rare utseende.
Denne forskjellen i masse mellom de kjente partiklene og deres superpartnere er resultatet av noe som kalles symmetri-breaking. Dette betyr at ved høye energier (som innsiden av partikkelakseleratorer), er de matematiske forholdene mellom partikler og deres partnere på en jevn kjøl, noe som fører til like store masser. Ved lave energier (som energinivået du opplever i normal hverdag), er imidlertid denne symmetrien brutt, og får partnermassene til skyrocketing. Denne mekanismen er viktig, fordi det også hender potensielt å forklare hvorfor for eksempel tyngdekraften er så mye svakere enn de andre kreftene. Matematikken er bare en bitteliten komplisert, men kortversjonen er denne: Noe brøt i universet, noe som fikk de normale partiklene til å bli drastisk mindre massiv enn superpartnerne deres. Den samme brytehandlingen kan ha straffet tyngdekraften og redusert styrken i forhold til de andre styrkene. Kjekk. [6 rare fakta om tyngdekraften]
Leve lenge og blomstre
For å jakte på supersymmetri, fliset en gjeng fysikere inn og bygde atomknuseren kalt Large Hadron Collider, som etter år med tøff søking kom til den overraskende, men skuffende konklusjonen at nesten alle supersymmetri-modeller var galt.
Whoops.
Enkelt sagt kan vi ikke finne noen partnerdeler. Null. Null. Nada. Ingen antydninger om supersymmetri har dukket opp i verdens mektigste kollider, der partikler glidelås rundt en sirkulær kontrast i nær lyshastighet før de kolliderer med hverandre, noe som noen ganger resulterer i produksjon av eksotiske nye partikler. Det betyr ikke nødvendigvis at supersymmetri er galt per se, men alle de enkleste modellene er nå utelukket. Er det på tide å forlate supersymmetri? Kanskje, men det kan være en Hail Mary: partikler med lang levetid.
Vanligvis, i landet med partikkelfysikk, jo mer massiv du er, desto mer ustabil er du og desto raskere forfaller du til enklere, lettere partikler. Det er akkurat slik ting er. Siden partnerpartiklene alle forventes å være tunge (ellers ville vi sett dem nå), forventet vi at de raskt ville forfalle til dusjer av andre ting vi kanskje kjenner oss igjen i, og så ville vi bygget detektorene våre deretter.
Men hva hvis partnerpartiklene var lenge levende? Hva om gjennom en eller annen form for eksotisk fysikk (gi teoretikere noen timer til å tenke på det, og de vil komme med mer enn nok påfall til å få det til å skje), klarer disse partiklene å unnslippe detektorene våre før de pliktoppfyllende forfaller til noe mindre rart? I dette scenariet ville søkene våre kommet helt tomme, ganske enkelt fordi vi ikke så langt nok unna. Dessuten er detektorene våre ikke designet for å kunne se direkte etter disse langvarige partiklene.
ATLAS til unnsetning
I en fersk artikkel som ble publisert online 8. februar om forhåndsutskriftsserveren arXiv, rapporterte medlemmer av ATLAS (noe vanskelig kortsnitt for A Toroidal LHC ApparatuS) -samarbeidet på Large Hadron Collider en undersøkelse av slike langvarige partikler. Med det nåværende eksperimentelle oppsettet kunne de ikke søke etter alle mulige langvarige partikler, men de var i stand til å søke etter nøytrale partikler med masser mellom 5 og 400 ganger protonens.
ATLAS-teamet søkte etter de langlivede partiklene ikke i midten av detektoren, men på kantene, noe som ville gjort det mulig for partiklene å reise hvor som helst fra noen centimeter til noen meter. Det virker kanskje ikke så langt når det gjelder menneskelige standarder, men for massive, grunnleggende partikler kan det like gjerne være kanten av det kjente universet.
Selvfølgelig er dette ikke det første søket etter partikler med lang levetid, men det er den mest omfattende og bruker nesten full vekt på masse eksperimentelle poster hos Large Hadron Collider..
Og det store resultatet: Ingenting. Null. Null. Nada.
Ikke et eneste tegn på noen langvarige partikler.
Betyr det at ideen også er død? Ikke helt - instrumentene var egentlig ikke designet for å jakte på slike villdyr, og vi skraper bare etter det vi har. Det kan ta en annen generasjon eksperimenter som er spesielt utviklet for å felle langlivede partikler før vi faktisk fanger en.
Eller, mer deprimerende, de eksisterer ikke. Og det vil bety at disse skapningene - sammen med deres supersymmetriske partnere - egentlig bare er spøkelser som drømmes opp av febere fysikere, og det vi faktisk trenger er en helt ny ramme for å løse noen av de fremragende problemene i moderne fysikk..
- Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature
- Bilder: Verdens største Atom Smasher (LHC)
- De 11 største ubesvarte spørsmålene om Dark Matter
Opprinnelig publisert på .
Paul M. Sutter er astrofysiker hos Ohio State University, vert av Spør en Spaceman og Space Radio, og forfatter av Ditt sted i universet.