Къде са тези частици, които ще обяснят напълно Вселената?

Господстващата теория на физиката на елементарните частици обяснява всичко за субатомния свят … С изключение на частите, в които не може да го направи. За съжаление, няма много ласкателни прилагателни, които могат да бъдат приложени към така наречения Стандартен модел на физиката.

Построена малко по малко през последните десетилетия, тази теория на фундаменталната физика се описва от МакГейвър най-добре като смесица от струни и дъвка.

Въпреки закачките, това е невероятно мощен модел, който точно прогнозира огромно разнообразие от взаимодействия и процеси.

Но той има някои очевидни недостатъци: не включва гравитацията; не може да обясни масите на различни частици, някои от които дават сила; няма обяснение за определено поведение на неутрино; и направо няма отговор за съществуването на тъмната материя.

Така че, физиците  трябва да измислят нещо. Трябва да отидат отвъд Стандартния модел, за да разберат по-добре нашата Вселена.

За съжаление, много от водещите претенденти за обяснение на това велико отвъд – наречени супер-симетрични теории – са строго ограничени и през последните години нямат развитие. Търсенето на дълго живеещи супер-симетрични частици, наричани понякога накратко s-частици (sparticles), неотдавна завърши отново с неуспех.

Досега най-модерният набор от теории, които преодоляват границите на сегашния Стандартен модел, са групирани в клас от идеи, известни като супер-симетрия. В тези модели двата основни лагера на частици в природата („бозони“, като познатите фотони и „фермиони“ – като електроните, кварките и неутрино) всъщност имат странна роднинска връзка помежду си. Всеки един бозон има партньор в света на фермиона и също така всеки фермион има бозон, който да нарича свой близък.

Нито едни от тези партньори (или по-подходящо в объркващия жаргон на физиката на частиците – „супер-партньори“) не са сред нормалното семейство на известните частици. Вместо това те обикновено са много, много по-тежки, непознати и обикновено изглеждащи по-странно.

Тази разлика в масата между известните частици и техните супер-партньори е резултат от нещо, наречено „симетрично нарушаване“. Това означава, че при високи енергии (като вътрешностите на ускорителите на частици), математическите връзки между частиците и техните партньори са симетрични, което води до равни маси.

При ниски енергии обаче, (като енергийните нива, които изпитваме в нормален, ежедневен живот), тази симетрия е нарушена, което кара масата на партньорските частици да нараства рязко. Този механизъм е важен, защото също така потенциално може да обясни, защо гравитацията е много по-слаба от другите сили.

Математиката в тази теория е изключително сложна, но кратката версия е следната: Нещо се е случило във вселената, причинявайки масата на нормалните частици да е драстично по-ниска от тази на техните супер-партньори. Същото действие може да е „наказало“ гравитацията, намалявайки нейната сила спрямо другите сили.

За да търсят супер симетрията, много физици участваха в построяването на Големия адронен ускорител, който след години на тежко търсене, стигна до изненадващото, но разочароващо заключение, че почти всички модели супер- симетрия са грешни.

Казано по-просто, не могат да бъдат намерени частиците партньори. Нито една. Никакви намеци за супер-симетрия не са се появили в най-мощния сблъсък на света, където частиците се ускоряват около кръгова конструкция в близост до скоростта на светлината, преди да се сблъскат помежду си, което понякога води до производство на екзотични нови частици.

Това не означава непременно, че супер-симетрията е погрешна сама по себе си, но сега всички най-прости модели са изключени. Дали е време да се откажем от супер-симетрията? Може би, но може да се окаже, че има все пак дълготрайни частици.

Обикновено при физиката на частиците, колкото по-масивна е една частица, толкова по-нестабилна е тя и толкова по-бързо ще се разпадне в по-прости, по-леки частици. Тъй като всички частици на партньора се очаква да бъдат тежки (в противен случай бихме ги видели досега), очакваме те да се разпаднат бързо и след това да можем да ги открием. Но какво ще стане, ако частиците на партньора са дълготрайни? Какво ще стане, ако чрез някаква екзотична физика тези частици успяват да избягат от пределите на нашите детектори, преди да се превърнат. в нещо по-малко странно? При този сценарий търсенето ще е напълно безуспешно, просто защото не се търси там където трябва. Също така, най-вероятно, търсене не е проектирано така, че да може да търси директно тези дълго живеещи частици.

В неотдавнашна статия, публикувана на 8 февруари на сървъра на arXiv, членовете на ATLAS (донякъде неудобно съкращение за A Toroidal LHC ApparatuS) в сътрудничество с Големия адронен колайдер докладват за проучване на такива дълго живеещи частици. При сегашната експериментална настройка те не са могли да търсят всяка възможна дълготрайна частица, но са успели да търсят неутрални частици с маса между 5 и 400 пъти по-голяма от тази на протона.

Екипът на ATLAS търси дълго живеещите частици не в центъра на детектора, а по неговите краища, което би позволило на частиците да пътуват от няколко сантиметра до няколко метра. Това може да не изглежда много далеч от гледна точка на човешките стандарти, но за масивни, фундаментални частици може да е и ръбът на познатата им вселена.

Разбира се, това не е първото търсене на дълго живеещи частици, но е най-изчерпателното, като са използвани почти всички експериментални записи направени в Големия адронен ускорител.

И в резултат отново нищо. Нито един знак от дълготрайни частици.

Това означава ли, че идеята е мъртва? Не съвсем, защото използваните инструменти не са били наистина предназначени да ходят на лов за тези частици. Може да е необходимо друго поколение експерименти, специално предназначени да улавят дълго живеещи частици, преди да можем да ги хванем.

Или по-песимистичната версия, че те не съществуват. А това би означавало, че тези частици заедно с техните супер-симетрични партньори, са просто призраци, мечтани от трескави физици, а това, от което всъщност се нуждаем, е изцяло нова рамка за решаване на някои от нерешените проблеми на съвременната физика на частиците.

Публикувано в LiveScience.