Dvigubai arba nieko: dideli atnaujinto LHC statymai

Te­be­si­šil­dan­tis Higgso bo­zo­no at­ra­di­mo šlo­vės spin­du­liuo­se, gar­su­sis CERN da­le­lių grei­tin­tu­vas tai­ko­si į dar keis­tes­nes da­le­les – ir į tie­są apie su­per­si­met­ri­ją.

Jie vadina tai „dykuma“ – didelius ir tuščius tyrus, skiriančius mus nuo pažadėtosios žemės, mirgančios prie horizonto kaip miražas. Žemės, kupinos atsakymų, kur galiausiai pasieksime visišką materialios tikrovės supratimą.

Gana svajoti: negalime nusigauti iki šios nirvanos. Kelias per dykumą pernelyg ilgas ir karštas, ir neturime galinčio mus ten nugabenti vežimo. Bet jei fizikų viltys pasitvirtins, iš dviejų metų snaudulio bundanti mašina galėtų padėti žengti užtikrintą žingsnį šia kryptimi – ir netgi gali atskleisti artimesnius atsakymus.

Ši mašina – Didysis hadronų priešpriešinių srautų greitintuvas (Large Hadron Collider), LHC. Tai pajėgiausias dalelių daužytuvas, įkurtas šalia Ženevos, ant Šveicarijos ir Prancūzijos sienos, nusipelnęs šlovės už Higgso bozono atradimą 2012 m. Tai buvo paskutinioji dabar jau gan gerai ištyrinėtos teritorijos – Standartinio modelio, kol kas geriausios mūsų teorijos apie materiją, jos sandarą ir veikimą – dalis.

Nuo 2013 vasario LHC buvo iš esmės pertvarkomas. Dabar jis vėl rengiamas, galingesnis, nei kada nors anksčiau, kelionei į dykumą – ir visišką nežinomybę. Jaudulys apčiuopiamas. „Tai kartą gyvenime pasitaikantis nuotykis, atskleidžiantis visiškai naujus energijos mastelius“, – sako Jimas Olsenas iš LHC CMS eksperimento.

Dalelių fizikai teritoriją žymi energija. Pagal garsiąją Einšteino formulę E = mc², dideliu greičiu priešpriešai skriejančių dalelių masė virsta milžiniška energija, savo ruožtu galinčia virsti kitomis, masyvesnėmis dalelėmis. Mūsų visata radosi iš karšto, tankaus didžiojo sprogimo, tad, kuo aukštesnes energijas pasiekiame, įgreitindami susiduriančias daleles, tuo toliau į praeitį link kosmoso ir pačios materijos pradžios nusigauname.

Taip LHC ir jos pirmtakais išsiaiškinome standartinį modelį. Ši teorija aprašo fundamentalias materijos daleles, – leptonus ir kvarkus, bei daleles, pernešančias tris iš keturių jas veikiančių jėgų: elektromagnetizmą, silpnąją, bei stipriąją branduolinę sąveiką.

Pastangas karūnavo Higgso bozonas (higsonas). Ši dalelė yra visa persmelkiančios ir visur esančios, nematomos būties, Higgso lauko, trikdis, su kuriuo sąveikaudamos visos kitos fundamentaliosios dalelės įgauna masę. Higgso laukas būtinas, siekiant paaiškinti kertinius ankstyvojo kosmoso raidos momentus. Iš pradžių elektromagnetizmas ir silpnoji branduolinė sąveika sudarė vieną, elektrosilpnąją sąveiką, kol prabėgus maždaug 10⁻¹² sekundės po didžiojo sprogimo. Taip buvo „sulaužyta“ jėgos simetrija, ir per lauką plintančios dalelės gavo skirtingas mases. Nuo tada bemasio fotono pernešamas elektromagnetizmas, galėjo veikti praktiškai neribotu atstumu, tuo tarpu silpnoji branduolinė sąveika, pernešama masyviųjų W ir Z bozonų, buvo apribota subatominiu masteliu.

Baigtas, bet nepilnas

Higsonas buvo numatytas 1964 m., tačiau jo suradimui reikėjo LHC energijos: iki 8 teraelektronvoltų (TeV) energijos įgreitintų protonų kaktomušos. Ir netgi tada teoretikai nebuvo užtikrinti, kokia turėtų būti higsono masė, tariant, kad jis egzistuoja. Bet tai buvo situacija be pralaimėjimo: net jei būtų paaiškėję, kad higsonas tėra matematinis miražas, būtų užtekę postūmio suplėšyti standartinį modelį ir pradėti kurti iš naujo.

Taip jau išėjo, kad efemeriškosios dalelės 125 gigaelektronvoltų (GeV) masė puikiausiai tilpo LHC energijos spektre. Teoretikų darbai buvo patvirtinti ir dvejetas higsonų teorijos pionierių, François Englertas ir Peteris Higgsas, 2013 m. spalį pasidalino fizikos Nobelio premiją.

Bet štai kas: nors Standartinis modelis užbaigtas, tačiau jis nėra pilnas. Teorijoje nėra tamsiosios materijos – nemenka spraga, turint omeny, kad ši medžiaga, sprendžiant iš galaktikų it vedamų nematomos gravitacijos rankos, judėjimo stebėjimų, sudaro 85 visos visatos materijos. Ji nepateikia atsakymo, kaip galėjo atsirasti nedidelis disbalansas tarp materijos ir antimaterijos, užtikrinęs materijos kupiną kosmosą. Standartinis modelis taip pat tyli apie gravitaciją, ketvirtąją iš keturių fundamentaliųjų sąveikų.

Tiksliau, Standartinio modelio (SM) veikimas priklauso nuo tunto atsitiktinių skaičių. Higsonas tėra vienas pavyzdys: jo masė yra vienas iš daugelio dydžių, kurių SM negali numatyti, kurį reikia išmatuoti. Palikus likimo valiai, modelis pateikia visokiausių skaičių: pagal jį higsonas taip stipriai sąveikauja su masyviomis dalelėmis, kad pasiekia nesąmoningai didelę, bent jau 10¹³ TeV masę.

Dauguma fizikų mano, kad SM yra dalis didesnės teorijos priartinančios mus prie visų jėgų suvienijimo ir materijos supratimo visuose energijos ruožuose. Tik bėda, kad nors dėl tikslios prognozės nesutariama, geriausi spėjimai rodo, kad tolesnio jėgų suvienijimo laukas plyti jau tik trilijonų TeV ir didesnių energijų ruože, koks buvo 10^-36 sekundės nuo didžiojo sprogimo pradžios.

Joks greitintuvas Žemėje tokių energijų pasiekti negalėtų. Tarp mūsų ir nepasiekiamos pažadėtosios žemės plyti nieko įdomaus negalinti pasiūlyti dykuma. Iš tokios perspektyvos atnaujinto LHC pasiekiama 13 TeV susidūrimų energija atrodo kaip bejėgiškas gestas.

Ne, taip nėra, sako fizikos teoretikas Benas Allanachas iš Kembridžo universiteto. Jei naujos kartos teorijos kandidatas favoritas yra tinkamas, teritorijos, į kurią rengiamės įžengti, ruoželyje gali būti dalelės ir reiškiniai, žymiai priartinsiantys prie galutinio atsakymo.

Ši teorija yra supersimetrija, arba, jos draugams – SUSY. Pirmą kartą susapnuota dar aštuntajame dešimtmetyje, SUSY pirmoji dvelkteli „didžiąja vienijančia teorija“, apjungiančia elektrosilpnąją ir stipriąją sąveikas. Ji tai atlieka, pristatydama būrį „s-dalelių“, sunkesniųjų jau žinomų dalelių antrininkų, galinčių pasirodyti LHC tiriamų energijų ruože. „Jei LHC bus rasti naujų dalelių signalai, pamatysite, kaip sukrėtimas plinta teorinės fizikos bendruomenėje, – sako Allanachas. – Šoksime gatvėse.“

Ne menkiausia to priežastis yra ta, kad lengviausios s-dalelės yra puikiausi tamsiosios materijos kandidatai. Be to, s-dalelės natūraliai panaikina rūpesčius keliančias kvantines fluktuacijas, verčiančias nekontroliuojamai pūstis higsono masę. Į tamsiąją materiją panašios SUSY dalelės tikriausiai nepastebėtos prasmuks pro detektorius, palikdamos skyles energijos ir momento sumoje. Tačiau bendrai tikimasi, kad SUSY dalelės apie save pareikš, charakteringai skildamos į lengvesnes standartinio modelio daleles.

Teoretikams SUSY taip patinka, ir taip nuoširdžiai stengiamasi bent akies krašteliu į ją žvilgtelėti, kad analizės procedūroje turi būti įtaisyti keli perdėto entuziazmo saugikliai. Kai komanda bus tikra, kad mašinos veikla ir jos analizė veikia be kliūčių, duomenys bus „apakinti“ – analizę atliekantys kompiuteriai nerodys tam tikrų skaičiavimų rezultatų, kol prisikaups pakankamai duomenų, kad standartinio modelio procesai per klaidą nebūtų palaikyti kuo nors nauju.

Norint patvirtinti, kad anomalija yra naujos fizikos rezultatas, ji turi pasireikšti abiejų didžiųjų LHC eksperimentų – ATLAS ir CMS – duomenyse, kaip ir Higgso bozono atveju. „Momentas, kai fluktuacijos pagilėja ir patvirtinamos, yra stebuklingas, ir sunku numatyti, kaip jis pasirodys“, – sako Andreas Hoecker iš ATLAS.

Ir ar pasirodys iš viso. Idealiai supersimetriškame pasaulyje, s-dalelės turėtų identišką masę, kaip ir atitinkamos dalelės ir būtų jau seniai užfiksuotos. Teoretikai mano, kad panašiai kaip ir elektrosilpnoji jėga, SUSY yra „sugedusi“, todėl s-dalelės yra daug sunkesnės. Tačiau jeigu jos pernelyg sunkios ir jos nebetinka sprendimui tokių problemų, kaip Higgso masė, tamsiosios energijos prigimtis ar jėgų apjungimas.

Tai, kad s-dalelių nebuvo atrasta pirmajame LHC veikimo etape, jau apribojo erdvę paprasčiausiems, estetiškai patraukliausiems teorijos variantams. Kaip daugelis teoretikų, Allanachas sako, kad ateinantys keli meta LHC duomenų parodys, ar teks mojuoti SUSY atsisveikinant. Jeigu nieko nebus rasta, „tai rodys, kad aukštų energijų ruože yra kažkas išties fundamentalaus, ko nesuprantame“, – sako jis.

Kol fizikai viltingai laukia teigiamų SUSY mįslės sprendimų, lieka vis dar neišspręstas gravitacijos klausimas. Sutariama, kad apsijungimo su šia jėga išvysti LHC pasiekiamame energijų ruože vilčių nėra. Gravitacija yra tiek silpnesnė už kitas tris jėgas – maždaug 10^-40, – kad suvienijimo su kitomis jėgomis gali tikėtis tik 10¹⁶ TeV ir didesnių energijų ruože, beveik atitinkančiame paties didžiojo sprogimo karštį.

Bet 1998 m. fizikos teoretikai pasiūlė labai keistą alternatyvą. Kas, jei mūsų pasaulis egzistuoja ant trijų erdvės matmenų membranos, plevėsuojančios aukštesnio matmens erdvėje? Tada tikroji gravitacijos stiprybė gali išplisti per visus tuo matmenis, ir mūsų požiūriu būti tokia keistai silpna. Jei taip, gravitacijos tikrasis stiprumas gali būti toks, kad pažadėtoji vienijimosi žemė gali būti daug arčiau, gal net pasiekiama LHC. Tada dykuma būtų ne plyna, o pilna tokių keistų objektų, kaip miniatiūrinės juodosios skylės, kurias LHC galėtų sukurti, iškreipdama ir suspausdama erdvėlaikį. Tokie objektai charakteringai suirtų į šūsnis geriau pažįstamų dalelių.

Net jei pasirodys, kad tokiems dalykams reikia pernelyg daug energijos, kad būtų galima juos stebėt tiesiogiai, gali būti, kad naujos dalelės, SUSY ar kokios kitos, gali apčiuopiamai paveikti žemesnėse energijose vykstančius procesus. Kai kas šnabžda apie nepaaiškinamus dalykus, kiurksančius LHC ir ankstesnių greitintuvų duomenyse, ir iš naujo pradėjus susidūrimus, jie išaugs arba išblės. Jei tokie žybsniai išaugs pakankamai dideli, tai jau savaime bus „didelis reikalas“, – sako Allanachas. Bet jie nebūtinai nurodytų, kokios yra naujosios dalelės. Bėda su tokiais teoretikais, kaip jis, kad jie iškels 20 ar daugiau skirtingų hipotezių, aiškinančių tą patį žybsnį – ir visos veiks.

Tačiau tokiems eksperimentatoriams, kaip Hoeckeris visas smagumas ne įrodyti, kad veikia tas ar kitas scenarijus, o būtent nežinojimas kas vyksta. „Tikrai yra daugiau vietos netikėtumams galimų naujų fizikų erdvėje, nei buvo Higgso atradimo atveju,“ pažymi jis.

Tad, viliamasi, kad nauja tiriama teritorija bus vešlus miškas, kupinas dalelių, pateiksiančių užuominas apie dykumą – ir kas už jos. Jei ne, tada užstrigsime be jokių tolesnio kelio ženklų, ir be „natūralaus“ paaiškinimo, kodėl standartinis modelis atrodo taip, kaip atrodo. Jei taip nutiks, fizikams teliks postuluoti, kad tai tik paslaptingas suderinimas, keistas faktorių sutapimas. Gal mūsų standartinis modelis tėra vienas iš nesuskaitomos daugybės kitų, erdvėje, kurioje egzistuoja visos įmanomos visatos. O gal galime vartus nukelti toliau ir tari, kad atsakymus suteikti tik dar didesnes energijas galintis pasiekti aparatas.

Bet kol kas pabalnokime atnaujintą LHC ir pažiūrėkime, kur jis nuneš – kad neliktume ilgesingai žvelgiantys į nepasiekiamą karalystę, krepšyje turėdami tik Higgsą ir daugybę neatsakytų klausimų.

Greičiau, aukščiau, stipriau

Pagerintas LHC hadronus sudauš ne tik didesne energija, bet ir padvigubins susidūrimų dažnį, sukurdamas gigabaitą duomenų per sekundę. Planuojami ir tolesni atnaujinimai, o tai reiškia, kad visi iki šiol surinkti dalelių greitintuvo duomenys sudaro vos 1 procentą to kiekio, kurį turėtų surinkti per visus 20 numatyto veikimo metų.

Pirmas darbas po naujo starto bus patikrinti, ar du dideli daugiatiksliai detektoriai, ATLAS ir CMS, tinkamai susitvarko su šiuo milžinišku duomenų srautu, kalibruojant ir tikrinant juos žinoma fizika. Svarbiausia bus „peratrasti“ Higgso bozoną ir tiksliai išmatuoti jo savybes, ypač, kaip jis sąveikauja su kitomis dalelėmis, tarkime, aukštutiniais kvarkais ir W bei Z bozonais, pažymi Jimas Olsenas iš CMS.

Iškart po higsono atradimo, buvo užuominų, kad jis į fotonų poras suskilo dvigubai sparčiau, nei numatė standartinis modelis, bet neatitikimas išnyko, sukūrus daugiau dalelių. Pagal dabartinį konsensusą higsonas yra nuviliančiai paprastas, patvirtinantis visas standartinio modelio apie jį teiktas prognozes. Bet gal daugiau duomenų vėl pateiks ką įdomesnio, tarkime, kad Higgso bozonas yra ne viena dalelė, o jų rinkinys.

Kaip bebūtų, svarbu ištirti, kaip atrodo pažįstamas standartinio modelio kraštovaizdis iš atnaujintos mašinos perspektyvos. Dalelių procesai suformuos „foną“, kuriame bet kokie žybsniai – naujosios fizikos užuominos – pareikš apie save.

„Mums reikia ir patvirtinti, kad standartinis modelis veikia ir aukštesnėje energijoje, ir įrodyti, kad galime numatyti ir modeliuoti naujos fizikos paieškų foną“, – sako Olsenas. Tik tada galime pradėti naujos kartos teorijų, tokių, kaip supersimetrija (žr. pagrindinį pasakojimą) medžioklę.