Нарушената симетрия на Вселената може да бъде прозорец към напълно нова физика

Ясно е, че библията на физиката на елементарните частици плаче за ъпгрейд. Сега физиците могат да получат точно това: Някои частици и сили могат да се погледнат в огледалото и да не се познаят. Това само по себе си би изпратило така наречения Стандартен модел на физиката в позиция „партер“.

Почти всички фундаментални реакции между субатомните частици на Вселената изглеждат едни и същи, погледнати в огледален образ. Тогава се казва, че огледалният образ, наречен паритет, е симетричен, или има симетрия на паритета.

Разбира се, не всичко следва правилата. Знаем, че например някои от реакциите, включващи слабата ядрена сила, която също е странна заради цял куп други причини, нарушават симетрията на паритета. Предполага се, че и други сили и частици в квантовия свят, също са нарушители на правилата в тази област.

Физиците имат някои идеи за тези други хипотетични реакции, които не биха изглеждали еднакво в огледален образ и следователно биха нарушили симетрията на паритета. Тези странни реакции могат да насочат към нова физика, която може да помогне да се премине покрай Стандартния модел на физиката на частиците, днешното текущо обобщение и обяснение на всички субатомни неща.

За съжаление, никога няма да се видят повечето от тези странни реакции в сегашните лаборатории и апаратите разбиващи атома. Взаимодействията са твърде редки и слаби за откриване с наличните инструменти, които са настроени към други видове взаимодействия. Но може да има някои редки изключения.

Изследователи от Големия адронен ускорител (LHC), намиращ се близо до Женева, търсят тези редки взаимодействия. Досега те са с празни ръце, но дори и този резултат е нещо. Тези отрицателни резултати помагат да се премахнат безплодните хипотези, което позволява на физиците да се съсредоточат върху по-обещаващи пътища в лова за нова физика.

Едно от най-важните понятия в цялата физика е това за симетрията. Дори може разумно да се твърди, че физиците са просто ловци на симетрия. Симетриите разкриват фундаменталните закони на природата.

И все пак, какво е симетрията? Тя означава, че ако промените един елемент в процес или взаимодействие, процесът остава същият. След това физиците казват, че процесът е симетричен по отношение на тази промяна. Трябва да се каже обаче, че има много различни видове симетрия. Например, понякога може да се промени знакът на заряд на частиците, понякога може да стартира процес на движение напред или назад във времето, а понякога може да се стартира версия на процеса на огледален образ.

Последното представлява процеса на огледалния образ, наричан симетрия на паритета. Повечето субатомни взаимодействия във физиката дават точно същия резултат, независимо дали са направени точно пред вас или в огледалото. Но някои взаимодействия нарушават тази симетрия, подобно на слабата ядрена сила, особено когато неутрино се произвеждат във взаимодействия, включващи тази сила.

Неутриното винаги се върти „назад“ (с други думи, оста на въртенето им се насочва далеч от посоката на движение), докато антинеутриното се върти „напред“ (тяхната ос на въртене е право напред, към посоката в която се движат). Това означава, че има много фини различия в броя на неутрино и антинеутрино, които се произвеждат, когато се изпълнява редовен, в сравнение с огледален експеримент, разчитащ на слабата ядрена сила.

Знае се, че слабата ядрена сила нарушава симетрията на паритета. Но може би не е само това.

Предполага се, че една физика отвъд това, което в момента разбираме, трябва да съществува. И някои от тези хипотетични идеи и концепции също нарушават симетрията на паритета. Например, някои от тези теории предсказват фини асиметрии в иначе нормални взаимодействия, които включват вида на частиците, които LHC обикновено изследва.

Разбира се, тези хипотетични идеи са екзотични, сложни и много трудни за тестване. В много случаи учените не са сигурни какво търсят.

Проблемът е, че се знае, че настоящата концепция за света на частиците, наречена Стандартен модел, е непълна, но в същото време не се знае къде да се търси замяната на този модел. Много физици се надяваха, че LHC ще разкрие нещо – нова частица, ново взаимодействие, каквото и да било – което да насочи физиката към нещо ново и вълнуващо, но засега всички тези търсения са се провалили.

Много от предишните теории за това, което е извън Стандартния модел (като суперсиметрия), бавно се изключват. Това е мястото, където нарушението на симетрията на паритета може да се окаже полезно.

Почти всички общи хипотетични разширения на Стандартния модел включват ограничението, че само слабата ядрена сила нарушава симетрията на паритета. Това означава, че понятията като суперсиметрия, аксиони и лептокварки поддържат тази симетрия да се нарушава точно там, където това става и никъде другаде.

Много физици обаче твърдят, че след като не се намира отговор за тези общи разширения, може би е време да разширим хоризонтите си.

Поради тази причина екип от изследователи търси нарушения на паритета в набор от данни, освободени от експеримента на Компактния муонов соленоид (CMS) в LHC; те са описали резултатите си в едно проучване, публикувано в изданието arXiv. Това е доста сложно търсене, тъй като LHC наистина не е настроен да търси нарушения на паритета. Но изследователите са измислили начин да го направят, като изследват остатъците в взаимодействията между други частици.

Резултатът: Няма и намеци за нарушение на паритета. Ура за Стандартния модел (отново).

Въпреки че е малко разочароващо, че това изследване не отвори нови граници за физиката, то ще помогне за изясняване на бъдещите търсения. Ако учените продължат да търсят, но все нямат доказателства за нарушаване на паритета извън слабата ядрена сила, то би довело до заключението, че всичко което е извън Стандартния модел, трябва да има някои от същите математически структури като тази базисна теория и да позволява само слабата ядрена сила да изглеждат различно в огледалото.