Η Βίβλος της σωματιδιακής φυσικής πεθαίνει για αναβάθμιση. Και οι φυσικοί μπορεί να έχουν ακριβώς το πράγμα: Μερικά σωματίδια και δυνάμεις μπορεί να φαίνονται στον καθρέφτη και να μην αναγνωρίζουν τον εαυτό τους. Αυτό, από μόνο του, θα έστελνε το επονομαζόμενο Πρότυπο Μοντέλο σε τετράπλευρο.
Σχεδόν όλες οι θεμελιώδεις αντιδράσεις μεταξύ των υποατομικών σωματιδίων του σύμπαντος φαίνονται το ίδιο όταν αναποδογυρίζονται σε έναν καθρέφτη. Η εικόνα του καθρέφτη, που ονομάζεται ισοτιμία, στη συνέχεια λέγεται ότι είναι συμμετρική, ή να έχει συμμετρία ισοτιμίας, στη φυσική μιλάει.
Φυσικά, δεν ακολουθούν όλοι οι κανόνες. Γνωρίζουμε ότι, για παράδειγμα, οι αντιδράσεις που αφορούν την αδύναμη πυρηνική δύναμη, η οποία είναι επίσης περίεργη για μια ολόκληρη δέσμη άλλων λόγων, παραβιάζει την ισομετρική ισοτιμία. Επομένως, είναι λογικό ότι άλλες δυνάμεις και σωματίδια στον κβαντικό κόσμο είναι επίσης διαταραγμένοι σε αυτόν τον τομέα.
Οι φυσικοί έχουν κάποιες ιδέες για αυτές τις άλλες υποθετικές αντιδράσεις που δεν θα φαινόταν το ίδιο στον καθρέφτη και θα παραβίαζαν την ισομετρική ισοτιμία. Αυτές οι περίεργες αντιδράσεις θα μπορούσαν να μας οδηγήσουν σε μια νέα φυσική που θα μπορούσε να μας βοηθήσει να περάσουμε πέρα από το Πρότυπο Μοντέλο της Φυσικής των σωματιδίων, την τρέχουσα περίληψη όλων των υποατομικών πραγμάτων.
Δυστυχώς, δεν θα δούμε ποτέ τις περισσότερες από αυτές τις περίεργες αντιδράσεις στους διανομέων και τα εργαστήρια των ατόμων μας. Οι αλληλεπιδράσεις είναι απλά πολύ σπάνιες και αδύναμες για να εντοπιστούν με τα μέσα μας, τα οποία συντονίζονται σε άλλα είδη αλληλεπιδράσεων. Αλλά μπορεί να υπάρχουν κάποιες σπάνιες εξαιρέσεις. Οι ερευνητές του μεγαλύτερου αθροιστή των ατόμων στον κόσμο, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC), που βρίσκεται κοντά στη Γενεύη, έχουν κυνήγι για αυτές τις σπάνιες αλληλεπιδράσεις. Μέχρι στιγμής έχουν έρθει με άδειο χέρι, αλλά ακόμα και αυτό το αποτέλεσμα φωτίζεται. Αυτά τα αρνητικά αποτελέσματα βοηθούν στην εξάλειψη των άχρηστων υποθέσεων από την εξέταση, επιτρέποντας στους φυσικούς να επικεντρωθούν σε πιο ελπιδοφόρες λεωφόρους στο κυνήγι της νέας φυσικής.
Καθρεφτη καθρεφτακι μου
Μία από τις σημαντικότερες έννοιες σε ολόκληρη τη φυσική είναι η συμμετρία. Θα μπορούσατε ακόμη και να υποστηρίξετε εύλογα ότι οι φυσικοί είναι απλώς κυνηγοί συμμετρίας. Οι συμμετρίες αποκαλύπτουν τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης που διέπουν τις εσωτερικές λειτουργίες της πραγματικότητας. Η συμμετρία είναι μεγάλη υπόθεση.
Οπότε, τι είναι? Μια συμμετρία σημαίνει ότι αν αλλάξετε ένα στοιχείο σε μια διαδικασία ή αλληλεπίδραση, η διαδικασία παραμένει η ίδια. Οι φυσικοί λένε τότε ότι η διαδικασία είναι συμμετρική σε σχέση με αυτή την αλλαγή. Είμαι σκόπιμα ασαφής εδώ επειδή υπάρχουν τόσα διαφορετικά είδη συμμετρίας. Για παράδειγμα, μερικές φορές μπορείτε να αλλάξετε το σημάδι των φορτίων στα σωματίδια, μερικές φορές μπορείτε να εκτελέσετε τις διαδικασίες προς τα εμπρός ή προς τα πίσω με την πάροδο του χρόνου και μερικές φορές μπορείτε να εκτελέσετε μια έκδοση κατοπτρικής εικόνας της διαδικασίας.
Αυτός ο τελευταίος, κοιτάζοντας μια διαδικασία στον καθρέφτη, ονομάζεται συμμετρία της ισοτιμίας. Οι περισσότερες υποατομικές αλληλεπιδράσεις στη φυσική σας δίνουν το ακριβές ίδιο αποτέλεσμα είτε γίνονται ακριβώς μπροστά σας είτε στον καθρέφτη. Αλλά μερικές αλληλεπιδράσεις παραβιάζουν αυτή τη συμμετρία, όπως και η αδύναμη πυρηνική δύναμη, ειδικά όταν παράγονται νετρίνα σε αλληλεπιδράσεις που περιλαμβάνουν αυτή τη δύναμη.
Οι νετρίνοι πάντοτε περιστρέφονται "προς τα πίσω" (με άλλα λόγια, ο άξονας των σημείων περιστροφής τους μακριά από την κατεύθυνση της κίνησης), ενώ οι antineutrinos περιστρέφονται "προς τα εμπρός" (ο άξονάς τους στρέφεται κατευθείαν μπροστά καθώς περνούν γύρω). Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν πολύ λεπτές διαφορές στον αριθμό των νετρίνων και των αντινετρινών που παράγονται όταν εκτελείτε ένα κανονικό, σε αντίθεση με ένα καθρέφτη-αναστρέψιμο πείραμα που βασίζεται στην αδύναμη πυρηνική δύναμη.
Σπασμένα καθρέφτες
Εξ όσων γνωρίζουμε, η αδύναμη πυρηνική δύναμη και η αδύναμη πυρηνική δύναμη παραβιάζουν μόνο τη συμμετρία της ισοτιμίας. Αλλά ίσως δεν είναι μόνος.
Γνωρίζουμε ότι η φυσική πέρα από αυτό που καταλαβαίνουμε σήμερα πρέπει να υπάρχει. Και ορισμένες από αυτές τις υποθετικές ιδέες και έννοιες παραβιάζουν επίσης τη συμμετρία της ισοτιμίας. Για παράδειγμα, μερικές από αυτές τις θεωρίες προβλέπουν λεπτές ασυμμετρίες σε αλλιώς κανονικές αλληλεπιδράσεις που αφορούν τα είδη σωματιδίων που συνήθως εξετάζει ο LHC.
Φυσικά, αυτές οι υποθετικές ιδέες είναι εξωτικές, πολύπλοκες και πολύ δύσκολες. Και σε πολλές περιπτώσεις, δεν είμαστε σίγουροι για το τι ψάχνουμε.
Το πρόβλημα είναι ότι ενώ γνωρίζουμε ότι η τρέχουσα αντίληψη μας για τον κόσμο των σωματιδίων, που ονομάζεται Πρότυπο Μοντέλο, είναι ελλιπής, δεν ξέρουμε πού να αναζητήσουμε την αντικατάστασή του. Πολλοί φυσικοί ελπίζουν ότι ο LHC θα αποκαλύψει κάτι - ένα νέο σωματίδιο, μια νέα αλληλεπίδραση, τίποτα - αυτό θα μας έδειχνε προς κάτι νέο και συναρπαστικό, αλλά μέχρι στιγμής όλες αυτές οι έρευνες απέτυχαν.
Πολλές από τις πρώην αρχικές θεωρίες για το τι είναι πέρα από το Πρότυπο Μοντέλο (όπως η υπερσυμμετρία) αποκλείονται αργά. Αυτό είναι όπου η παραβίαση συμμετρίας-συμμετρίας μπορεί να έρθει σε πρακτικό.
Σχεδόν όλες οι συνηθισμένες υποθετικές επεκτάσεις στο Πρότυπο Μοντέλο περιλαμβάνουν τον περιορισμό ότι μόνο η αδύναμη πυρηνική δύναμη παραβιάζει συμμετρία ισοτιμίας. (Αυτό είναι ψημένο στα θεμελιώδη μαθηματικά των μοντέλων, σε περίπτωση που αναρωτιέστε πώς λειτουργεί αυτό.) Αυτό σημαίνει ότι οι έννοιες όπως η υπερσυμμετρία, τα αξόνια και τα leptoquarks όλα διατηρούν αυτή τη συμμετρία σπάζοντας ακριβώς εκεί που είναι και πουθενά αλλού.
Αλλά κοιτάξτε, παιδιά, αν αυτές οι κοινές επεκτάσεις δεν βγαίνουν έξω, ίσως ήρθε η ώρα να διευρύνουμε τους ορίζοντές μας.
Αποσύνδεση ισοτιμίας
Για το λόγο αυτό, μια ομάδα ερευνητών αναζήτησε παραβιάσεις ισοτιμίας σε μια προσωρινή μνήμη δεδομένων που απελευθερώθηκε από το πείραμα Compact Muon Solenoid (CMS) στο LHC. ανέφεραν τα αποτελέσματά τους σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 29 Απριλίου στον εκτυπωτή preprint arXiv. Αυτή ήταν μια πολύ δύσκολη αναζήτηση, καθώς ο LHC δεν είναι πραγματικά έτοιμος να αναζητήσει παραβιάσεις ισοτιμίας. Αλλά οι ερευνητές κατάλαβα έξυπνα έναν τρόπο να το κάνουν εξετάζοντας τα υπολείμματα στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ άλλων σωματιδίων.
Το αποτέλεσμα: Δεν βρέθηκαν υπαινιγμοί παραβίασης ισοτιμίας. Χτυπήστε για το Πρότυπο Μοντέλο (ξανά). Παρόλο που είναι απογοητευτικό το γεγονός ότι αυτή η έρευνα δεν άνοιξε ένα νέο φυσικό όριο, θα βοηθήσει στη διευκρίνιση μελλοντικών αναζητήσεων. Αν συνεχίσουμε να ψάχνουμε και δεν εμφανίζουμε ακόμη στοιχεία για παραβίαση ισοτιμίας έξω από την αδύναμη πυρηνική δύναμη, τότε ξέρουμε ότι οτιδήποτε βρίσκεται πέρα από το Πρότυπο Μοντέλο πρέπει να έχει μερικές από τις ίδιες μαθηματικές δομές με αυτήν την θεωρία του σκελετού και να επιτρέψει μόνο την αδύναμη πυρηνική δύναμη φαίνονται διαφορετικά στον καθρέφτη.
