ΤΕΛΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΠΕΡΣΥΜΜΕΤΡΙΑ ΣΤΟ CERN Η φυσική σωματιδίων στα πρόθυρα κρίσης

ΤΕΛΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΠΕΡΣΥΜΜΕΤΡΙΑ ΣΤΟ CERN

Η φυσική σωματιδίων στα πρόθυρα κρίσης;

Ο ανιχνευτής του πειράματος CMS του CERN

CERN

Η θεωρητική και η πειραματική φυσική έκανε τον 20ό αιώνα τεράστια άλματα. Πρόκειται για γεγονός αδιαμφισβήτητο και ορατό στην παραγωγή αλλά και στην καθημερινότητα των ανθρώπων σε όλο τον κόσμο, ξεκινώντας από την ηλεκτρική ενέργεια από πυρηνική σχάση και φωτοβολταϊκά και φτάνοντας στους υπολογιστές και τις άλλες συσκευές της μικροηλεκτρονικής, που μαζί με χιλιάδες άλλες εφαρμογές στηρίζονται στη βαθύτερη κατανόηση της υλικής πραγματικότητας, όπως αποτυπώθηκε στη Θεωρία της Σχετικότητας, την Κβαντομηχανική και τα άλλα θεμέλια της σύγχρονης φυσικής.
Ολες οι επιστημονικές θεωρίες στις θετικές επιστήμες πρέπει καταρχήν να εξηγούν τα φαινόμενα, τα δεδομένα, τις μετρήσεις ή τις παρατηρήσεις, να μπορούν να κάνουν προβλέψεις γι' αυτά. Ορισμένες προχωρούν πέρα από τη φαινομενολογική ερμηνεία, σε ένα φυσικό μοντέλο οντολογικού χαρακτήρα, που προσπαθεί να ερμηνεύσει τα φαινόμενα με βάση την κίνηση στοιχειωδέστερων υλικών δομών, σε ένα επίπεδο της φυσικής πραγματικότητας πιο κάτω από το επίπεδο, τη συμπεριφορά του οποίου περιγράφει και «ερμηνεύει» η θεωρία. Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας έχει ένα τέτοιο οντολογικό μοντέλο, η κβαντομηχανική όχι. Η έλλειψη μοντέλου δείχνει ότι πιθανότατα έχουμε πετύχει μια μάλλον επιφανειακή ερμηνεία του συγκεκριμένου επιπέδου της φυσικής πραγματικότητας, χωρίς αυτό να αμφισβητεί την ακρίβεια ή τη χρησιμότητα της θεωρίας. Ούτε και η ύπαρξη μοντέλου σημαίνει ότι κατ' ανάγκη είναι ορθό, ή ότι η θεωρία δεν θα χρειαστεί συμπλήρωση ή ριζική τροποποίηση στο μέλλον, εφόσον ανακαλυφθούν νέα δεδομένα για το ίδιο επίπεδο, ή χρειαστεί να «δέσει» με νέες ανακαλύψεις και ερμηνείες που αφορούν άλλα επίπεδα. Η επιστημονική πρόοδος δεν είναι μια ευθύγραμμη πορεία άθροισης γνώσεων, προχωρά με κριτήριο την πράξη, οι νέες θεωρίες προσπαθούν να αντανακλούν καλύτερα την αντικειμενική πραγματικότητα, είναι έργα υπό εξέλιξη, όχι δόγματα σμιλεμένα στην πέτρα.

Η περιέργεια ...γέννησε την υπερσυμμετρία

Λόγω της μεγάλης προόδου της επιστήμης, η επιστημονική περιέργεια είναι σε θέση να προχωρά σήμερα από το ερώτημα «πώς είναι» κάτι, στο ερώτημα «γιατί είναι έτσι όπως ανακαλύψαμε ότι είναι»... Η υπερσυμμετρία είναι μια εξαιρετικά όμορφη λύση στα βαθιά προβλήματα που βασανίζουν τους φυσικούς τις τέσσερις τελευταίες δεκαετίες, όταν διατυπώνουν τέτοια ερωτήματα, προσπαθώντας να διερευνήσουν το επίπεδο της φυσικής πραγματικότητας κάτω από εκείνο των υποατομικών σωματιδίων. Μπορεί να δώσει λύσεις σε ερωτήματα όπως: Γιατί κάθε υποατομικό σωματίδιο έχει τη μάζα που έχει; Γιατί οι τέσσερις θεμελιώδεις φυσικές δυνάμεις έχουν την ισχύ που έχουν; Με άλλα λόγια, γιατί το σύμπαν είναι έτσι όπως είναι;
Οι φυσικοί είχαν την ελπίδα ότι τα πειράματα που έγιναν τα προηγούμενα χρόνια στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών (CERN) θα είχαν οδηγήσει στην ανακάλυψη των σωματιδίων που προβλέπει η θεωρία της υπερσυμμετρίας. Τα πειράματα αυτά, όμως, είχαν αρνητικό αποτέλεσμα τουλάχιστον για τις πιο μελετημένες εκδοχές της θεωρίας και αρχίζουν τώρα να δημιουργούν, αν όχι μια μεγάλης έκτασης κρίση στη φυσική σωματιδίων, τουλάχιστον ένα κύμα πανικού μεταξύ των επιστημόνων του κλάδου. Στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων θα πραγματοποιηθούν τους πρώτους μήνες του 2015 νέα πειράματα, στις υψηλότερες ενέργειες που επιτρέπει κατασκευαστικά η μηχανή, ώστε οι ερευνητικές ομάδες ATLAS και CMS να διερευνήσουν το ενδεχόμενο τα υπερσυμμετρικά σωματίδια να έχουν μεγαλύτερες μάζες απ' ό,τι εκτιμούσαν οι ήδη ελεγμένες παραλλαγές της υπερσυμμετρίας. Αν και τα νέα πειράματα δεν οδηγήσουν στην ανακάλυψη κάποιου υπερσυμμετρικού σωματιδίου, τότε η θεμελιώδης φυσική θα βρεθεί μπροστά σε ένα σταυροδρόμι: είτε θα πρέπει να εγκαταλειφθεί η δουλειά μιας ολόκληρης γενιάς φυσικών ή θα πρέπει να συνεχίσει την έρευνα στην ίδια κατεύθυνση, ελπίζοντας ότι ένας ακόμα μεγαλύτερος επιταχυντής, κάπου, κάποια μέρα, θα δώσει αποδείξεις ότι η θεωρία ήταν εξαρχής σωστή.

Κβαντικές παραξενιές

Το Καθιερωμένο Μοντέλο προσφέρει μια εξαιρετική περιγραφή για το τι συμβαίνει στο υποατομικό επίπεδο. Ενώ, όμως, προβλέπει ότι υπάρχουν για παράδειγμα 3 είδη λεπτονίων (τύπος φερμιονίων): το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο και το ταυ, δεν απαντά γιατί 3 και όχι 2, ή 4 ή 15; `Η γιατί το ηλεκτρόνιο έχει τη μάζα που έχει και είναι ελαφρύτερο από το μποζόνιο Χιγκς; Το Καθιερωμένο Μοντέλο δεν έχει απαντήσεις, ούτε και προτρέπει στη διερεύνηση ενός βαθύτερου επιπέδου της φυσικής πραγματικότητας για να βρεθούν οι απαντήσεις. Οι θεωρητικοί της φυσικής σωματιδίων ξόδεψαν πολύ χρόνο πάνω σε αυτά τα αναπάντητα ερωτήματα. Κατασκεύασαν θεωρίες που εξηγούν γιατί το Καθιερωμένο Μοντέλο έχει τη μορφή που έχει, όπως για παράδειγμα η θεωρία των χορδών. Ομως, όλες αυτές οι θεωρίες έχουν ένα πρόβλημα: προϋποθέτουν την ύπαρξη επιπλέον σωματιδίων. Αυτά τα σωματίδια ενδέχεται να έχουν πολύ μεγάλη μάζα και ίσως γι' αυτό δεν έχουν εντοπιστεί ακόμα.
Στην κβαντομηχανική, τα σωματίδια αλληλεπιδρούν μέσω της ανταλλαγής άλλων δυνάμει σωματιδίων, που εμφανίζονται για μια στιγμή και εξαφανίζονται αμέσως μετά. Για παράδειγμα, η απωστική ηλεκτρική δύναμη μεταξύ δύο ηλεκτρονίων, εξηγείται καταρχήν με τη μεταξύ τους ανταλλαγή ενός φωτονίου. Ομως στην κβαντομηχανική οτιδήποτε δεν απαγορεύεται ρητώς, συμβαίνει με βεβαιότητα, έστω και σπάνια. Τα ηλεκτρόνια δεν αλληλεπιδρούν μόνο μεταξύ τους ανταλλάσσοντας φωτόνια, αλλά και με κάθε άλλο σωματίδιο. Εκτός κι αν υπάρχει κάτι σαν την υπερσυμμετρία για να το αποτρέψει, αυτές οι αλληλεπιδράσεις θα μπορούσαν να δημιουργήσουν προβλήματα (που όμως δεν παρατηρούνται στη φύση).

Υπερχώρος και φερμιονικές διαστάσεις

Η υπερσυμμετρία δεν είναι τόσο μια συγκεκριμένη θεωρία, όσο ένα πλαίσιο θεωριών. Στους φυσικούς νόμους για τα σωματίδια και τις δυνάμεις υπάρχουν πολλές συνήθεις συμμετρίες. Αυτοί οι νόμοι δεν εξαρτώνται από τη θέση στο χώρο και στο χρόνο, ή την κίνηση σε σχέση με τα παρατηρούμενα αντικείμενα. Από αυτές τις χωροχρονικές συμμετρίες προκύπτουν μαθηματικά οι νόμοι της διατήρησης της ενέργειας, της ορμής και της στροφορμής, αλλά και ο περίφημος τύπος E=mc² του Αϊνστάιν. Η κβαντομηχανική σέβεται τις συμμετρίες και μάλιστα οι επιστήμονες τις χρησιμοποίησαν για να προβλέψουν νέα φαινόμενα. Ο Πολ Ντιράκ έδειξε το 1930 ότι συνδυάζοντας την κβαντομηχανική με τη σχετικότητα, οι χωροχρονικές συμμετρίες οδηγούν στο συμπέρασμα πως για κάθε σωματίδιο υπάρχει ένα αντισωματίδιο, δηλαδή ένα σωματίδιο με ίδια χαρακτηριστικά, αλλά αντίθετο φορτίο. Στην εποχή του αυτή η ιδέα φαινόταν τρελή, γιατί κανείς δεν είχε ανακαλύψει κάποιο αντισωμάτιο, αλλά ο Ντιράκ δεν άργησε να βγει αληθινός, με αποτέλεσμα ο αριθμός των υποατομικών σωματιδίων να διπλασιαστεί από τη μια στιγμή στην άλλη.
Η υπερσυμμετρία προβλέπει ότι υπάρχει μια κβαντική «προέκταση» του χωροχρόνου, που ονομάζεται υπερχώρος και ότι τα σωματίδια είναι συμμετρικά σε αυτό τον υπερχώρο, δηλαδή για καθένα από τα γνωστά σωματίδια υπάρχει ένα υπερσυμμετρικό του. Ο υπερχώρος δεν έχει τις συνήθεις τρεις διαστάσεις, αλλά επιπλέον φερμιονικές διαστάσεις. Η κίνηση σε μια φερμιονική διάσταση είναι πολύ περιορισμένη. Τα βήματα σε αυτές είναι κβαντισμένα και όταν γίνει ένα, τότε η συγκεκριμένη φερμιονική διάσταση είναι «γεμάτη». Νέα βήματα μπορούν να γίνουν μόνο σε άλλες φερμιονικές διαστάσεις, ή αλλιώς πρέπει να γίνει βήμα πίσω στην ίδια φερμιονική διάσταση. Ετσι ένα μποζόνιο μπορεί να μετατραπεί σε φερμιόνιο και αντίστροφα. Επιπλέον, κάθε βήμα σε φερμιονική διάσταση, συνοδεύεται αυτόματα από μικρή μετακίνηση στο συνήθη χωροχρόνο.
Η σημασία όλων αυτών είναι ότι σε έναν υπερσυμμετρικό κόσμο, οι συμμετρίες στις φερμιονικές διαστάσεις περιορίζουν τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων. Αυτό συμβαίνει ακόμα περισσότερο στις λεγόμενες φυσικές υπερσυμμετρίες. Ετσι αποφεύγονται τα προβλήματα από τις αλληλεπιδράσεις που αλλιώς θα συνέβαιναν με βάση το Καθιερωμένο Μοντέλο και τα οποία δεν παρατηρούνται στη φύση.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»