Fizycy z USA i Korei Południowej opisali możliwy scenariusz ewolucji Wszechświata po Wielkim Wybuchu, różniący się od ogólnie przyjętego przez naukę. Zgodnie z tym scenariuszem nie będzie już możliwe wykrycie nowych cząstek elementarnych w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN. Alternatywny scenariusz pozwala również rozwiązać problem hierarchii mas. Badania opublikowane na arXiv.org
Teoria nazywa się Nnaturalness. Wyznacza się ją w skali energii rzędu oddziaływań elektrosłabych, po rozdzieleniu oddziaływań elektromagnetycznych i słabych. To było około dziesięciu po minus trzydzieści dwa, dziesięć po minus dwunastu sekundach po Wielkim Wybuchu. Wówczas, zdaniem autorów nowej koncepcji, we Wszechświecie istniała hipotetyczna cząstka elementarna - rechiton (lub reheaton, z angielskiego reheaton), której rozpad doprowadził do powstania obserwowanej dzisiaj fizyki.
W miarę jak Wszechświat stawał się zimniejszy (temperatura materii i promieniowania spadł) i płaski (geometria przestrzeni zbliżyła się do euklidesa), Rechiton rozpadł się na wiele innych cząstek. Utworzyli grupy cząstek, które prawie nie oddziałują ze sobą, prawie identyczne w zestawie gatunkowym, ale różniące się masą bozonu Higgsa, a zatem własnymi masami.
Liczba takich grup cząstek, które zdaniem naukowców istnieją we współczesnym wszechświecie, sięga kilku tysięcy bilionów. Fizyka opisana przez Model Standardowy (SM) oraz cząstki i interakcje obserwowane w eksperymentach w LHC należą do jednej z tych rodzin. Nowa teoria pozwala odejść od supersymetrii, którą wciąż bezskutecznie poszukuje się i rozwiązuje problem hierarchii cząstek.
W szczególności, jeśli masa bozonu Higgsa powstałego w wyniku rozpadu rechitonu jest mała, to masa pozostałych cząstek będzie duża i odwrotnie. To właśnie rozwiązuje problem hierarchii elektrosłabej związanej z dużą luką między obserwowanymi eksperymentalnie masami cząstek elementarnych a skalami energii wczesnego Wszechświata. Na przykład pytanie, dlaczego elektron o masie 0,5 megaelektronowolta jest prawie 200 razy lżejszy od mionu o tych samych liczbach kwantowych, znika samoistnie - we Wszechświecie istnieją dokładnie te same zbiory cząstek, w których różnica ta nie jest tak duża.
Według nowej teorii bozon Higgsa obserwowany w eksperymentach w LHC jest najlżejszą cząstką tego typu, powstałą w wyniku rozpadu rechitonu. Cięższe bozony są powiązane z innymi grupami jeszcze nie odkrytych cząstek - analogów dzisiejszych odkrytych i dobrze przebadanych leptonów (nie uczestniczących w oddziaływaniu silnym) oraz hadronów (uczestniczących w oddziaływaniu silnym).
Nima Arkani-Hamed
Film promocyjny:
Zdjęcie: Departament EP / CERN
Nowa teoria nie anuluje, ale sprawia, że nie jest konieczne wprowadzanie supersymetrii, co oznacza podwojenie (przynajmniej) liczby znanych cząstek elementarnych z powodu obecności superpartnerów. Na przykład dla fotonu - fotino, kwark - skwer, Higgs - Higgsino i tak dalej. Spin superpartnerów powinien różnić się o połowę liczby całkowitej od spinu pierwotnej cząstki.
Matematycznie, cząstka i supercząstka są połączone w jeden system (supermultiplet); wszystkie parametry kwantowe i masy cząstek i ich partnerów pokrywają się w dokładnej supersymetrii. Uważa się, że supersymetria jest z natury złamana, a zatem masa superpartnerów jest znacznie większa niż masa ich cząstek. Aby wykryć cząstki supersymetryczne, potrzebne były potężne akceleratory, takie jak LHC.
Jeśli supersymetria lub jakiekolwiek nowe cząstki lub interakcje istnieją, to według autorów nowego badania można je odkryć w skali dziesięciu teraelektronowoltów. Jest to prawie na granicy możliwości LHC i jeśli proponowana teoria jest poprawna, odkrycie tam nowych cząstek jest bardzo mało prawdopodobne.
Wersje CM
Obraz: arXiv.org
Sygnał w pobliżu 750 gigaelektronowoltów, który może wskazywać na rozpad ciężkiej cząstki na dwa fotony gamma, jak podali naukowcy ze współpracy CMS (Compact Muon Solenoid) i ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) pracujących w LHC w grudniu 2015 i marcu 2016 rozpoznawany jako szum statystyczny. Po 2012 roku, kiedy dowiedział się o odkryciu bozonu Higgsa w CERN, nie ujawniono żadnych nowych cząstek fundamentalnych przewidzianych przez rozszerzenia SM.
Dlatego spodziewane jest pojawienie się teorii, w których znika potrzeba supersymetrii. „Jest wielu teoretyków, w tym ja, którzy wierzą, że teraz jest zupełnie wyjątkowy czas, kiedy rozwiązujemy ważne i systemowe problemy, a nie zajmujemy się szczegółami żadnej kolejnej cząstki elementarnej” - powiedziała naczelna autorka nowych badań, fizyk Nima Arkani-Hamed z Uniwersytetu Princeton (USA).
Nie wszyscy podzielają jego optymizm. Na przykład fizyk Matt Strassler z Uniwersytetu Harvarda uważa, że matematyczne uzasadnienie nowej teorii zostało wymyślone. W międzyczasie Paddy Fox z Enrico Fermi National Accelerator Laboratory w Batavii (USA) uważa, że nową teorię można przetestować w ciągu następnych dziesięciu lat. Jego zdaniem cząstki utworzone w grupie z jakimkolwiek ciężkim bozonem Higgsa powinny pozostawić swoje ślady na reliktowym promieniowaniu - starożytnym promieniowaniu mikrofalowym przewidzianym w teorii Wielkiego Wybuchu.
Andrey Borisov