Главенствующая теория физики элементарных частиц объясняет все о субатомном мире… за исключением тех частей, которые этого не делают. И, к сожалению, не так много лестных прилагательных, которые можно применить к так называемой стандартной модели. Построенная понемногу в течение десятилетий, эта теория фундаментальной физики лучше всего описывается как неуклюжая, мешанина и МакГайвер, вместе с кусочками веревки и жевательной резинки.
Тем не менее, это невероятно мощная модель, которая точно предсказывает огромное разнообразие взаимодействий и процессов.
Но у неё есть некоторые явные недостатки: она не включает гравитацию ; она не может объяснить массы различных частиц, некоторые из которых имеют заряд; у неё нет объяснения определенному поведению нейтрино; и у неё нет прямого ответа на существование темной материи .
Итак, мы должны что-то придумать. Нам нужно выйти за рамки стандартной модели, чтобы лучше понять нашу вселенную.
К сожалению, многие ведущие претенденты на объяснение этого великого запредельного - так называемые суперсимметричные теории - были исключены или строго ограничены в последние годы. Тем не менее, до сих пор существует концепция «Hail Mary, которая могла бы объяснить таинственные части Вселенной, не охватываемые Стандартной моделью: долгоживущие суперсимметричные частицы, иногда называемые спартантиками. Но удручающе, недавний поиск этих странных частиц вернулся с пустыми руками.
Не очень супер симметрия
Безусловно, самый модный набор теорий, которые выходят за рамки текущей Стандартной модели, сгруппированы в класс идей, известных как суперсимметрия . В этих моделях два основных лагеря частиц в природе («бозоны», такие как знакомые фотоны и «фермионы» - как электроны, кварки и нейтрино) на самом деле имеют странные родственные отношения. У каждого бозона есть партнер в мире фермионов, и, аналогично, у каждого фермиона есть друг-бозон, которого можно назвать своим.
Ни один из этих партнеров (или, точнее, в запутанном жаргоне физики элементарных частиц - «суперпартнеры») не входит в нормальное семейство известных частиц. Вместо этого они, как правило, намного тяжелее, незнакомы и выглядят странно.
Эта разница в массе между известными частицами и их суперпартнерами является результатом того, что называется нарушением симметрии. Это означает, что при высоких зарядах (например, внутри ускорителей частиц) математические отношения между частицами и их партнерами находятся на в одной плоскости, что приводит к равным массам. Однако при низких зарядах (таких как уровни энергии, которые вы испытываете в обычной повседневной жизни) эта симметрия нарушается, что приводит к стремительному росту массы частиц партнера. Этот механизм важен, потому что он также потенциально может объяснить, почему, например, гравитация намного слабее, чем другие силы. Математика немного сложнее, но короткая версия такова: во вселенной что-то сломалось, из-за чего нормальные частицы стали значительно менее массивными, чем их суперпартнеры. Это же разрушающее действие могло наказать гравитацию, уменьшив ее силу относительно других сил.
Живи долго и процветай
Чтобы охотиться за суперсимметрией, группа физиков скинулась и создала атомный разрушитель, названный Большим адронным коллайдером , который после многих лет напряженного поиска пришел к удивительному, но неутешительному выводу, что почти все модели суперсимметрии были неправильными.
Упс.
Проще говоря, мы не можем найти частицы партнера. Нуль. Никаких намёков на суперсимметрию не появилось в самом мощном в мире коллайдере, где частицы движутся вокруг кругового приспособления на скорости, близкой к скорости света, а затем сталкиваются друг с другом, что иногда приводит к образованию экзотических новых частиц. Это не обязательно означает, что суперсимметрия неверна сама по себе, но все самые простые модели теперь исключены. Не пора ли отказаться от суперсимметрии? Может быть, но может быть и Hail Mary: долгоживущие частицы.
Обычно, в теории физики элементарных частиц, чем вы массивнее, тем нестабильнее вы и быстрее распадаетесь на более простые и легкие частицы. Просто так обстоят дела. Поскольку ожидается, что все частицы партнера будут тяжелыми (в противном случае мы бы уже видели их), мы ожидали, что они быстро распадутся в потоки других вещей, которые мы могли бы распознать, и затем мы бы соответствующим образом сконструировали наши детекторы.
Но что, если частицы партнера были долгоживущими? Что, если, благодаря некоторой причуде экзотической физики (дайте теоретикам несколько часов, чтобы подумать об этом, и они придумают более чем достаточно причин, чтобы это произошло), этим частицам удастся вырваться за пределы наших детекторов, прежде чем покорно распадаться во что-то менее странное? В этом сценарии наши поиски оказались бы совершенно пустыми, просто потому, что мы не смотрели достаточно далеко. Кроме того, наши детекторы не предназначены для непосредственного поиска этих долгоживущих частиц.
ATLAS на помощь
В недавней статье, опубликованной в сети 8 февраля на сервере препринтов arXiv , члены коллаборации ATLAS (несколько неуклюжее сокращение для устройства Toroidal LHC ApparatuS) на Большом адронном коллайдере сообщили об исследовании таких долгоживущих частиц. При нынешней экспериментальной установке они не могли искать каждую возможную долгоживущую частицу, но они могли искать нейтральные частицы с массами в 5–400 раз больше массы протона .
Команда ATLAS искала долгоживущие частицы не в центре детектора, а на его краях, что позволило бы частицам перемещаться от нескольких сантиметров до нескольких метров. Это может показаться не очень далеко с точки зрения человеческих стандартов, но для массивных, фундаментальных частиц, это также может быть как преодолеть целую вселенную.
Конечно, это не первый поиск долгоживущих частиц, но он является наиболее полным, используя почти всю информацию экспериментальных записей на Большом адронном коллайдере.
И снова ожидаемый результат: ничего. Нуль. Ничего.
Ни одного признака каких-либо долгоживущих частиц.
Значит ли это, что идея тоже мертва? Не совсем - эти инструменты на самом деле не были предназначены для поиска этих видов "диких зверей", и мы разбираемся только с тем, что имеем. Может потребоваться еще одно поколение экспериментов, специально предназначенных для захвата долгоживущих частиц, прежде чем мы действительно поймем хотя бы один из них.
Или, что более печально, их не вообще существует. И это будет означать, что эти существа - вместе со своими суперсимметричными партнерами - на самом деле являются просто призраками, о которых мечтали лихорадочные физики, и что нам действительно нужно, так это совершенно новая структура для решения некоторых из нерешенных проблем современной физики.
