Yurii Mongol
0 
1337
344
Den styrande teorin om partikelfysik förklarar allt om den subatomära världen ... förutom de delar som den inte gör. Och tyvärr finns det inte många smickrande adjektiv som kan tillämpas på den så kallade Standard Model. Denna teori om grundläggande fysik, som byggts upp bit för bit under årtionden, beskrivs bäst som ungainly, hodgepodge och MacGyver-ed tillsammans med bitar av snöre och tuggummi.
Ändå är det en otroligt kraftfull modell som exakt förutsäger en enorm variation av interaktioner och processer.
Men det har vissa bländande brister: Det innehåller inte allvar; det kan inte förklara massorna av olika partiklar, av vilka vissa skänker kraft; det har ingen förklaring till viss neutrino-beteende; och den har inte något svar på förekomsten av mörk materia.
Så vi måste ta reda på något. Vi måste gå längre än standardmodellen för att bättre förstå vårt universum.
Tyvärr har många av de ledande utmanarna för att förklara detta stora utöver - kallade supersymmetriska teorier - uteslutits eller starkt begränsat under de senaste åren. Det finns fortfarande ett Hail Mary-koncept som kan förklara de mystiska delarna av universum som inte omfattas av standardmodellen, dock: Långlivade supersymmetriska partiklar, ibland kallade spartiklar för kort. Men deprimerande, en ny sökning efter dessa udda partiklar har kommit tomhänt tillbaka. [De 11 största obesvarade frågorna om Dark Matter]
Inte så super-symmetri
Den överlägset de mest trendiga uppsättningen teorier som skjuter förbi gränserna för den nuvarande standardmodellen grupperas i en klass av idéer känd som supersymmetri. I dessa modeller har de två stora lägren av partiklar i naturen ("bosoner", som de bekanta fotonerna och "fermioner" - som elektroner, kvarkar och neutriner) faktiskt ett konstigt slags syskonförhållande. Varje boson har en partner i fermionvärlden, och på samma sätt har varje fermion en bosonvän att kalla sin egen.
Ingen av dessa partners (eller mer lämpligt i den förvirrande jargongen av partikelfysik - "superpartners") tillhör den normala familjen av kända partiklar. I stället är de vanligtvis mycket, mycket tyngre, främlingare och generellt mer snygga.
Denna skillnad i massa mellan de kända partiklarna och deras superpartners är resultatet av något som kallas symmetri-brytning. Detta innebär att vid höga energier (som insidan av partikelacceleratorer) är de matematiska förhållandena mellan partiklar och deras partners på en jämn köl, vilket leder till lika massor. Vid låga energier (som de energinivåer du upplever i det vanliga vardagen) är denna symmetri dock trasig och skickar partnerpartikelmassorna skyrocketing. Denna mekanism är viktig, eftersom den också händer för att potentiellt förklara varför till exempel tyngdkraften är så mycket svagare än de andra krafterna. Matten är bara lite komplicerad, men den korta versionen är den: Något brast i universum som orsakade de normala partiklarna att bli drastiskt mindre massiva än deras superpartners. Samma brytande handling kan ha bestraffat tyngdkraften och minskat dess styrka relativt de andra krafterna. Tjusig. [6 konstiga fakta om gravitationen]
Leva länge och blomstra
För att jaga efter supersymmetri, flisade ett gäng fysiker in och byggde atomsmaskaren Big Hadron Collider, som efter år av svår sökning kom till den förvånande men nedslående slutsatsen att nästan alla supersymmetri modeller var fel.
Hoppsan.
Enkelt uttryckt kan vi inte hitta några partnerpartiklar. Noll. Zilch. Nada. Inga antydningar om supersymmetri har dykt upp i världens mest kraftfulla kollider, där partiklar zippas runt en cirkulär kontrast på nära ljushastighet innan de kolliderar med varandra, vilket ibland resulterar i produktion av exotiska nya partiklar. Det betyder inte nödvändigtvis att supersymmetri i sig är fel, men alla de enklaste modellerna har nu uteslutits. Är det dags att överge supersymmetri? Kanske, men det kan finnas en Hail Mary: långlivade partiklar.
Vanligtvis, i partikelfysikens land, ju mer massiv du är, desto mer instabil är du och desto snabbare förfaller du till enklare, lättare partiklar. Det är precis som saker är. Eftersom partnerpartiklarna alla förväntas vara tunga (annars skulle vi ha sett dem nu), förväntade vi oss att de snabbt skulle försvinna till duschar av andra saker som vi kanske känner igen, och sedan skulle vi ha byggt våra detektorer i enlighet därmed.
Men tänk om partnerpartiklarna var långlivade? Vad händer om, genom en viss grävning av exotisk fysik (ge teoretiker några timmar att tänka på det, och de kommer att komma med mer än tillräckligt underliga för att få det att hända), dessa partiklar lyckas undkomma gränserna för våra detektorer innan pliktfullt förfaller till något mindre konstigt? I det här scenariot skulle våra sökningar ha kommit helt tomma, helt enkelt för att vi inte tittade tillräckligt långt bort. Våra detektorer är inte utformade för att kunna leta direkt efter dessa långlivade partiklar.
ATLAS till undsättning
I en nyligen publicerad artikel 8 februari online på förtrycksservern arXiv rapporterade medlemmar av ATLAS (något obekväma korthet för A Toroidal LHC ApparatuS) -samarbetet vid Large Hadron Collider en undersökning av sådana långlivade partiklar. Med den aktuella experimentella installationen kunde de inte söka efter alla möjliga långlivade partiklar, men de kunde söka efter neutrala partiklar med massor mellan 5 och 400 gånger protonens.
ATLAS-teamet sökte efter de långlivade partiklarna inte i mitten av detektorn, utan vid dess kanter, vilket skulle ha gjort det möjligt för partiklarna att resa var som helst från några centimeter upp till några meter. Det kanske inte verkar så långt när det gäller mänskliga standarder, men för massiva, grundläggande partiklar kan det lika gärna vara kanten till det kända universum.
Naturligtvis är detta inte den första sökningen efter partiklar med lång livslängd, men det är den mest omfattande och använder nästan hela vikten av massor med experimentella poster på Large Hadron Collider.
Och det stora resultatet: Ingenting. Noll. Zilch. Nada.
Inte ett enda tecken på några långlivade partiklar.
Betyder det att idén också är död? Inte riktigt - dessa instrument var inte riktigt utformade för att jaga efter den här typen av vilda djur, och vi skraper bara med det vi har. Det kan ta en annan generation experiment som är specifikt utformade för att fånga långlivade partiklar innan vi faktiskt fångar ett.
Eller, mer deprimerande, de finns inte. Och det skulle betyda att dessa varelser - tillsammans med deras supersymmetriska partners - egentligen bara är spöken som drömts upp av feberfysiker, och vad vi faktiskt behöver är en helt ny ram för att lösa några av de enastående problemen i modern fysik..
- Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature
- Foton: Världens största Atom Smasher (LHC)
- De 11 största obesvarade frågorna om Dark Matter
Ursprungligen publicerad den .
Paul M. Sutter är en astrofysiker på Ohio State University, värd av Fråga en Spaceman och Space Radio, och författare till Din plats i universum.