Πώς το κρυμμένο Higgs θα μπορούσε να αποκαλύψει τον σκοτεινό τομέα του σύμπαντος μας

Ο πιο ισχυρός επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο εργαστήριο CERN κοντά στη Γενεύη, δεν κατάφερε να βρει κανένα από τα αναμενόμενα σωματίδια που θα οδηγούσαν τους φυσικούς πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων. Αλλά είναι πιθανό ο LHC να παράγει τέτοια βασικά νέα σωματίδια σε όλη τη διάρκεια και να μην τα βλέπουμε.

«Ο πυρήνας της ιστορίας», είπε ο Ντέιβιντ Κέρτιν, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ, «είναι ότι ο LHC θα μπορούσε να παράγει σωματίδια που είναι εντελώς αόρατα, τα οποία διασπώνται σε κάποια απόσταση από το σημείο παραγωγής, είτε είναι χιλιοστά είτε πολλά χιλιόμετρα. , και τα οποία συνδέονται στο πιο θεμελιώδες επίπεδο με μερικά από τα πιο σημαντικά θεωρητικά μυστήρια που έχουμε."

Τέτοια υποθετικά σωματίδια ονομάζονται «μακρόβια», επειδή ο χρόνος ζωής τους θα υπερέβαινε κατά πολύ εκείνους που ο LHC σχεδιάστηκε να ανιχνεύει. Εάν ο LHC παράγει όντως αυτά τα σωματίδια, τότε είναι πιθανό μερικοί να φεύγουν από την υπόγεια σήραγγα του επιταχυντή, να εκτοξεύονται στη γη και ενδεχομένως να εκρήγνυνται σαν πυροτεχνήματα στον ουρανό πάνω από τα γειτονικά αγροκτήματα καθώς αποσυντίθενται ξανά σε συνηθισμένη ύλη.

Για να πιάσουν τη λάμψη αυτών των πυροτεχνημάτων, υποθέτοντας ότι υπάρχουν, ο Curtin και οι συνεργάτες του Henry Lubatti του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον και ο John Paul Chou του Πανεπιστημίου Rutgers πρότειναν την κατασκευή ενός τεράστιου νέου ανιχνευτή που θα στέκεται σε αυτά τα χωράφια, που μοιάζει μάλλον με μια πραγματικά μεγάλη σιταποθήκη. . Οι τρεις δημοσίευσαν πρόσφατα την πρότασή τους στο Physics Letters B , βαφτίζοντας τον ανιχνευτή τους Mathusla (ο οποίος, στη μεγάλη παράδοση των βασανισμένων ακρωνύμιων της φυσικής, σημαίνει MAssive Timing Hodoscope for Ultra Stable neutraL pArticles). Το όνομα είναι ένα νεύμα στη μυθική φιγούρα που έζησε για περισσότερα από 900 χρόνια.

«Νομίζω ότι ένα τέτοιο πείραμα είναι πραγματικά μια έκφραση της εποχής μας», είπε ο Gian Giudice, επικεφαλής του τμήματος θεωρίας στο CERN. Για πολλά χρόνια υπήρχε «μια αίσθηση πεποίθησης για τη σωστή κατεύθυνση για εξερεύνηση», είπε, με το πεδίο να καθοδηγείται από προσπάθειες εύρεσης βραχύβιων σωματιδίων που προβλέπονται από μια θεωρία που ονομάζεται υπερσυμμετρία. Ωστόσο, αυτά τα σωματίδια δεν έχουν εμφανιστεί όπως είχε προγραμματιστεί. "Τώρα αναζητούμε νέες κατευθύνσεις και νέα κίνητρα, και αυτό είναι που αλλάζει πραγματικά."

Δυστυχώς, τα μακρόβια σωματίδια είναι δύσκολο να ανιχνευθούν. Τα καλά νέα είναι ότι η καλύτερη ελπίδα μας για να τα δούμε μπορεί να πηγάζει από το ένα νέο σωματίδιο που ανακάλυψε ο LHC και συνεχίζει να παράγει:το μποζόνιο Higgs.

Δίδυμα Χιγκς

Η ανακάλυψη του Higgs το 2012 έδωσε στους φυσικούς δύο πράγματα ταυτόχρονα:τον θρίαμβο της εύρεσης του τελευταίου χαμένου κομματιού του Καθιερωμένου Μοντέλου, αλλά και συναρπαστικές αποδείξεις ότι από το ίδιο μοντέλο λείπει κάτι ουσιαστικό.

Το πρόβλημα στο Καθιερωμένο Μοντέλο έγκειται στο γεγονός ότι η μετρούμενη μάζα του Higgs είναι περίπου 100 εκατομμύρια δισεκατομμύρια φορές μικρότερη από ό,τι η κβαντική μηχανική προτείνει ότι θα έπρεπε να είναι. Από τη σκοπιά του Καθιερωμένου Μοντέλου, αυτό μπορεί να ισχύει μόνο ως αποτέλεσμα μιας εξαιρετικά απίθανης σύμπτωσης που περιλαμβάνει τις αξίες ορισμένων από τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία του σύμπαντος. (Η σύμπτωση είναι επίσης εξαιρετικά τυχερή, γιατί χωρίς αυτήν, τα άτομα και ό,τι αποτελούνται από αυτά δεν θα μπορούσαν να υπάρχουν.) Οι φυσικοί αποκαλούν αυτήν την κατάσταση «πρόβλημα ιεραρχίας» και το βλέπουν ως απόδειξη ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι απλώς μια προσέγγιση ενός πιο ολοκληρωμένη θεωρία που θα εξηγούσε τη μάζα Higgs «φυσικά» — ως αποτέλεσμα κάποιου άλλου μηχανισμού εκτός από ένα φαινομενικό θαύμα.

Η υπερσυμμετρία είναι από καιρό ο κύριος υποψήφιος για την πιο ολοκληρωμένη θεωρία. Επιλύει το πρόβλημα της ιεραρχίας μέσω νέων σωματιδίων — ένα σωματίδιο συνεργάτη για κάθε σωματίδιο στο Καθιερωμένο Μοντέλο. Αλλά χωρίς κανένα σημάδι υπερσυνεργατών που αναδύονται από τον LHC, ορισμένοι φυσικοί εξετάζουν σοβαρά την πιθανότητα τα σωματίδια που αντιμετωπίζουν το πρόβλημα της ιεραρχίας να ανήκουν σε αυτό που ονομάζεται κρυφός τομέας.

Ένας κρυφός τομέας είναι μια οικογένεια σωματιδίων που μπορεί να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους αλλά δεν αισθάνονται τις επιπτώσεις των τριών δυνάμεων του Καθιερωμένου Μοντέλου - ισχυρές, ηλεκτρομαγνητικές και αδύναμες. Δεν αλληλεπιδρούν άμεσα με τη συνηθισμένη ύλη, γεγονός που καθιστά πολύ δύσκολο τον εντοπισμό τους. Αλλά ένας κρυφός τομέας σωματιδίων θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση του προβλήματος της ιεραρχίας, είπε ο Zackaria Chacko, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ που ήταν ένας από τους πρώτους που πρότεινε αυτή την ιδέα στις αρχές της δεκαετίας του 2000. «Αφελώς, όπως μπορείτε να το σκεφτείτε είναι, τα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου θέλουν να τραβήξουν το Higgs τους προς τα πάνω και να κάνουν το Higgs βαρύ», είπε. "Και έχετε αυτόν τον κρυφό τομέα που τον τραβάει πίσω."

Το μοντέλο του Τσάκο ονομάζεται «Twin Higgs», αφού το Higgs, όπως όλα τα άλλα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου, θα είχε ένα δίδυμο που ζει στον κρυφό τομέα. Το Higgs θα έπαιζε έναν ιδιαίτερο ρόλο λόγω της ικανότητάς του να εγκαταλείψει τον τομέα του Καθιερωμένου Μοντέλου — με άλλα λόγια, τον κόσμο στον οποίο ζούμε — και να περάσει στον κρυφό μετατρέποντας το δίδυμό του.

Συμβαίνει όντως αυτό; Οι συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου του LHC δημιουργούν εκατοντάδες μποζόνια Higgs ανά ώρα, αλλά αποτελούν μια μικρή μειοψηφία της ταραχής των σωματιδίων που εκτοξεύονται συνεχώς από αυτές τις συντριβές και εισβάλλουν στους ανιχνευτές του επιταχυντή. Μόνο ένα κλάσμα από αυτά μπορεί να μετρηθεί. Με βάση τα δεδομένα που έχουν συλλεχθεί μέχρι στιγμής, έως και το ένα τέταρτο των μποζονίων Higgs του LHC θα μπορούσε να γλιστρήσει στις σκιές ενός κρυφού τομέα.

Ο εντοπισμός τέτοιων φυγάδων θα ήταν πρακτικά απελπιστικός, αν δεν γινόταν μια ανακάλυψη το 2014 από μια ομάδα συμπεριλαμβανομένου του Raman Sundrum, συναδέλφου του Chacko στο Μέριλαντ. Έχοντας φτάσει σε αυτό που ο Sundrum περιγράφει ως «ορισμένο επίπεδο απόγνωσης» σχετικά με την έλλειψη νέων ανακαλύψεων στο LHC, αυτός και οι συνεργάτες του έριξαν μια δεύτερη ματιά στο μοντέλο του Chacko και συνειδητοποίησαν ότι ήταν απλώς μια από μια ολόκληρη κατηγορία θεωριών που θα μπορούσαν να αποκαταστήσουν τη φυσικότητα. χάρη στα κρυμμένα σωματίδια. Βρήκαν επίσης ότι στη γενική περίπτωση, μερικά από τα κρυμμένα σωματίδια στα οποία διασπάται το Higgs δεν μένουν κρυμμένα. Αντίθετα, οι ίδιοι διασπώνται - μετά από ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, που εξακολουθεί να είναι μια ζωή όπως ο Μεθουσάλα με υποατομικά πρότυπα - και πάλι σε σωματίδια Καθιερωμένου Μοντέλου. Τέτοια σωματίδια θα μπορούσαν να εντοπιστούν στον LHC ή κοντά σε αυτόν.

«Θα μπορούσε να υπάρχουν πολλά από αυτά τα πράγματα που πετούν έξω όλη την ώρα, και απλά δεν το ξέρουμε», είπε ο Christopher Hill, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο και ανώτερο μέλος του CMS, μιας από τις δύο ομάδες που βρήκαν το Χιγκς (το άλλο ήταν το ATLAS). Ο Hill, σε συνεργασία με τον Andy Haas, έναν φυσικό στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης που εργάζεται στο ATLAS, βρίσκεται πίσω από μια διαφορετική πρόταση για την εύρεση σωματιδίων κρυφού τομέα, που ονομάζεται milliQan. Το όνομα του πειράματος παραπέμπει στον Robert Millikan, ο οποίος ήταν ο πρώτος που μέτρησε το φορτίο του ηλεκτρονίου, αλλά υπογραμμίζει επίσης το γεγονός ότι αναζητά σωματίδια με φορτία τόσο μικρά όσο το ένα χιλιοστό της μέτρησης του Millikan, καθιστώντας τα "χιλιοφόρτιστα".

«Θα αναζητούσαμε μια διαφορετική πύλη με το milliQan», είπε ο Hill. Μέσω αυτής της πύλης, ένα συνηθισμένο φωτόνιο θα μπορούσε να μετατραπεί σε «σκοτεινά» φωτόνια σε έναν κρυφό τομέα. Σε αυτήν την περίπτωση, ένα σωματίδιο που μοιάζει με ηλεκτρόνιο στον κρυφό τομέα θα εμφανιζόταν ως χιλιοφορτισμένο στον τομέα του Τυπικού Μοντέλου.

Οι κρυφοί τομείς και οι πύλες μπορεί να ακούγονται ύποπτα σαν επιστημονική φαντασία, που επινοήθηκαν από φυσικούς οδηγούμενους στο είδος της απόγνωσης που ομολόγησε ο Sundrum, αλλά γνωρίζουμε ήδη τουλάχιστον μία περίπτωση όπου η φύση έχει παίξει αυτό το παιχνίδι. Η σκοτεινή ύλη, ανεξάρτητα από το πόσο λίγα γνωρίζουμε γι' αυτήν, παρουσιάζει ισχυρές αποδείξεις ότι υπάρχει ένας άλλος τομέας πέρα ​​από το Καθιερωμένο μοντέλο.

Στην πραγματικότητα, οι φυσικοί έχουν επικαλεστεί μακρόβια σωματίδια και κρυφούς τομείς για να αντιμετωπίσουν σχεδόν όλα τα θεμελιώδη προβλήματα που μαστίζουν αυτή τη στιγμή τη φυσική, συμπεριλαμβανομένων ζητημάτων όπως η σκοτεινή ύλη και η ασυμμετρία ύλης-αντιύλης του σύμπαντος. «Η ιδέα της αναζήτησης κρυφών τομέων είναι τόσο φυσική, με τόσο καλά κίνητρα και τόσο ενδιαφέρουσα, που πρέπει να ξεκινήσετε με αυτό», δήλωσε η Nima Arkani-Hamed, φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ. .

Όμως, η αναζήτηση κρυφών τομέων σημαίνει να αφαιρέσετε αυτά τα άπιαστα μακρόβια σωματίδια.

Πυροτεχνήματα στον Αχυρώνα

«Πολλές ζωές — ρε παιδιά, αυτό είναι τρελό!» Ο Curtin θυμάται ότι είχε ανακοινώσει σε ένα εργαστήριο πέρυσι. «Δεν μπορείς να κάνεις τίποτα. δεν μπορείτε να το εκτρέψετε, δεν μπορείτε να το παγιδεύσετε, δεν μπορείτε να το κάνετε να διασκορπιστεί. Απλώς θα σβήσει και θα χαλάσει όποτε θέλει. Και πρέπει να είστε εκεί όταν χαλάσει.»

Ο Κέρτιν ζήτησε βοήθεια από το κοινό του.

Ο Lubatti και ο Chou, πειραματιστές που είχαν ήδη εμπλακεί σε αναζητήσεις για σωματίδια μεγάλης διάρκειας ζωής στο ATLAS και το CMS αντίστοιχα - μια προσπάθεια που ο Lubatti συγκρίνει με το «ψάχνοντας μια βελόνα σε μια θημωνιά και δεν είμαστε καν σίγουροι για το άχυρα» - ήταν και οι δύο παρόντες στο εργαστήριο. Η συζήτηση που ακολούθησε κατέληξε τελικά στη συνεργασία Mathusla. Μετά από μήνες συναντήσεων, κλήσεων Skype και προσομοιώσεων, οι τρεις τους εκπόνησαν ένα προκαταρκτικό σχέδιο:ένα κτίριο ύψους 20 μέτρων που θα κάλυπτε μια έκταση μεγαλύτερη από επτά γήπεδα ποδοσφαίρου. Πέντε στρώματα ανιχνευτών σωματιδίων θα κρέμονταν από την οροφή, επιτρέποντας στους ερευνητές να ανακατασκευάσουν τα υποατομικά συντρίμμια των διασπάσεων σωματιδίων που συμβαίνουν στον τεράστιο χώρο. Η κατασκευή θα χτιστεί στο έδαφος είτε πάνω από τον ATLAS είτε τον ανιχνευτή CMS, όπου περίπου 100 μέτρα βρωμιάς και βράχου θα λειτουργούσαν για να την προστατεύσουν από το συνεχές χάος των συγκρούσεων σωματιδίων κάτω, το οποίο θα μπορούσε πολύ εύκολα να κρύψει μια μακρόβια πυροτεχνήματα σωματιδίων.

Το MilliQan είναι ένα μικρότερο πείραμα που απαιτεί περισσότερη φινέτσα. Ο ανιχνευτής του θα σφηνωθεί στον ελεύθερο χώρο μιας υπόσκαφης σήραγγας που έχει απομείνει από την κατασκευή του LHC. Η πρόκληση του είναι ότι ένα σωματίδιο που έχει το ένα χιλιοστό του φορτίου ενός ηλεκτρονίου εκτοξεύει μόνο ένα εκατομμυριοστό των φωτονίων σε έναν ανιχνευτή σωματιδίων που θα έκανε ένα ηλεκτρόνιο. Επομένως, το MilliQan διαμορφώνει τους ανιχνευτές του σε τρεις στοιβαγμένους σωλήνες, καθένας από αυτούς μήκους 1 μέτρου και όλοι στραμμένοι στο σημείο όπου τα πρωτόνια συγκρούονται. Οι μακρύι σωλήνες θα πρέπει να είναι αρκετοί, είπε ο Hill, ώστε ένα χιλιοφορτισμένο σωματίδιο να κλωτσήσει ένα φωτόνιο σε καθένα από τα τρία στρώματα, δημιουργώντας ένα σαφές σήμα που θα επιτρέπει στους φυσικούς να διακρίνουν ένα πραγματικό χιλιοφορτισμένο σωματίδιο από τη θυελλώδη θάλασσα του θορύβου του περιβάλλοντος.

Αν και κανένα πείραμα δεν έχει εγκριθεί από το CERN, τα πρωτότυπα κατασκευάζονται ήδη στο έδαφος του LHC. Το Mathusla's είναι ένα κουτί τετράγωνο 2,5 μέτρα και ύψος περίπου 5,5 μέτρα, λιθόστρωτο εν μέρει από υλικά που συλλέγονται από ένα πείραμα κοσμικών ακτίνων στο Θιβέτ. Το πρωτότυπο του MilliQan είναι επίσης μια μινιατούρα εκδοχή του πραγματικού πράγματος, κατασκευασμένη επίσης από καθαρισμένα μέρη και επωφελείται από την ευγένεια της ομάδας CMS, που κατέχει τον χώρο που καταλαμβάνει.

«Όπως συμβαίνει με τις περισσότερες μακρόβιες αναζητήσεις σωματιδίων… είμαστε σαν παράσιτα που ζουν από την πραγματική φυσική που συμβαίνει», είπε ο Haas.

Σε σύγκριση με το ATLAS και το CMS, το καθένα από τα οποία απασχολεί χιλιάδες ανθρώπους και χρησιμοποιεί εξαιρετικά εξελιγμένους ανιχνευτές που κοστίζουν πάνω από μισό δισεκατομμύριο δολάρια ο καθένας, το milliQan και το Mathusla είναι αναμφισβήτητα ταπεινές προτάσεις, το πρώτο εφικτό για ίσως 1 εκατομμύριο δολάρια, το δεύτερο για μερικές δεκάδες εκατομμύρια , και τα δύο βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στην τεχνολογία ανίχνευσης σωματιδίων που χρονολογείται από το έργο του Μανχάταν. Φαίνεται γελοίο να προτείνουμε ότι θα μπορούσαν να μυρίσουν κάτι που έχασαν τα μεγάλα σκυλιά.

Και θα έχουν την ευκαιρία;

«Επιστημονικά, νομίζω ότι η υπόθεση θα είναι εύκολο να γίνει», είπε ο Giudice, ο οποίος είναι μέλος της επιτροπής στο CERN που θα αποφασίσει για τις τύχες και των δύο πειραμάτων. «Τελικά το ζήτημα θα καθοριστεί από πρακτικές πτυχές όπως το κόστος, ο χώρος και ο χρόνος για να είναι έτοιμα τα πειράματα». Εάν όλα πάνε καλά, τα πειράματα θα αρχίσουν να συλλέγουν δεδομένα μετά από μια προγραμματισμένη σημαντική αναβάθμιση του LHC στα μέσα της δεκαετίας του 2020.

Οι προτάσεις επωφελούνται από μια νέα αίσθηση ταπεινότητας μεταξύ των σωματιδιακών φυσικών. Όπως το έθεσε ο Arkani-Hamed, πολλοί «μεγάλοι θεωρητικοί λόγοι» που προβλήθηκαν για να παρακινήσουν τις αναζητήσεις για νέα φυσική τα τελευταία 40 χρόνια «έχουν ισοδυναμεί με τρελό squat μέχρι στιγμής».

Τώρα, είπε ο Giudice, "πρέπει να κοιτάξουμε προς όλες τις πιθανές κατευθύνσεις."

Είναι «απλά τρελό», πρόσθεσε ο Arkani-Hamed, ότι οι πύλες που θα μπορούσαν να ερευνήσουν οι Mathusla και milliQan είναι τόσο «εκπληκτικά μεγάλες» και δεν έχουν ακόμη εξερευνηθεί. "Απλώς σας λέει πόσο λίγα γνωρίζουμε πραγματικά για το τι υπάρχει εκεί έξω στο σύμπαν."