LHC, Didžiajame hadronų priešpriešinių srautų greitintuve, vyksta keistenybės, ir šios keistenybės fone Higso bozono atradimas 2012 metais (pažymėtas Nobelio fizikos premija 2013-aisiais) gali likti kaip LHC istorijos ne pats svarbiausias epizodas. Sakyti „vyksta keistenybės“ vietoje „padarė atradimą“ tenka, nes patys fizikai stengiasi išsireikšti atsargiai ir bevelija kol kas kalbėti apie „anomaliją“.
LHC, Didžiajame hadronų priešpriešinių srautų greitintuve, vyksta keistenybės, ir šios keistenybės fone Higso bozono atradimas 2012 metais (pažymėtas Nobelio fizikos premija 2013-aisiais) gali likti kaip LHC istorijos ne pats svarbiausias epizodas. Sakyti „vyksta keistenybės“ vietoje „padarė atradimą“ tenka, nes patys fizikai stengiasi išsireikšti atsargiai ir bevelija kol kas kalbėti apie „anomaliją“. Žurnalas „Nature“ paskaičiavo, kad per pirmąsias devynias dienas po gruodžio 15-osios, kai apie „anomaliją“ buvo pirmą kartą paskelbta, teoretikai spėjo paskirti jai 94 mokslinius darbus.
Anomalijos ypatinga tuo, kad jos nenumato fizikos dėsniai, kuriais iki šiol pavykdavo aprašyti visas žinomas visatos daleles ir laukus. „Jei čia išties kažkas yra, tai bus pirmasis objektas už Standartinio modelio ribų“, – paaiškina MVU branduolinės fizikos mokslinio tyrimų instituto profesorius Eduardas Boosas (Boosas – vienas iš autorių 2012 metų mokslinio straipsnio, kuriuo buvo pranešta apie Higso bozono atradimą).
Standartinis modelis kartais vadinamas „elementariųjų dalelių Mendelejevo lentele“. Tačiau tai tikrai pernelyg grubus palyginimas. Iš tiesų šiuo modeliu klasifikuojamos visos dalelės (kvarkai, gliuonai, fotonai, neutrinai, Higso bozonas ir kitos), kaip periodinėje sistemoje klasifikuojami atomai. Tačiau standartinio modelio dalelės – ne tiesiog plytelės, iš kurių sudaryta materija, o veikiau jau kažkas panašaus į senovės graikų dievus, su aiškiai paskirstytais tvarkos palaikymo kosmose įgaliojimais. Gliuonai – tai, kas neleidžia atomų branduoliams (ir drauge mums visiems su Žemės planeta) subyrėti į šipulius. Dėl fotonų šviesa šviečia, o magnetas pritraukia geležies drožles. Higso bozonas daiktams suteikia masę.
Ir jei Mendelejevo lentelėje naują laukelį priklijuoti gan paprasta (taip atsitinka gan dažnai, kai sintezuojamas dar vienas sunkus radioaktyvus atomas), tai Standartiniam modelyje laisvų vietų nėra – visos funkcijos tarp dalelių išdalintos kartą ir visiems laikams. O anomalija dalelių panteone kelia nelauktą chaosą.
Standartinis modelis primena Periodinę elementų istemą, tačiau naujus langelius įrašyti daug sudėtingiau
Tai kokia toji anomalija? Nuo birželio iki lapkričio LHC sudauždavo protonus – vandenilio atomų branduolius – rekordine, 13 TeV energija. Susidūrimus stebėjo du dalelių jutikliai skirtingose 27 kilometrų ilgio požeminio greitintuvo žiedo tunelio pusėse – ATLAS ir CMS, kiekvienas kurių sveria, kaip keli Eifelio bokštai. Šie du detektoriai skirtingi, juose vykdomi skirtingi eksperimentai, ir juos aptarnauja nepriklausomos fizikų komandos (tokios komandos, kuriose dalyvauja keletas tūkstančių mokslininkų, vadinamos kolaboracijomis).
Kai gruodžio 15 dieną abi kolaboracijos susitiko ir pristatė pusmečio darbų ataskaitą, netikėtai paaiškėjo, kad abi komandos – savaime suprantama, nepriklausomai viena nuo kitos – savo eksperimentuose stebėjo dažniau vykstantį vieną ir tą patį įvykį, panašiausią naujos masyvios dalelės atsiradimą ir skilimą. Jei tyrimai pasitvirtins, tai bus pati sunkiausia elementarioji dalelė iš visų žinomų. Anomalija 1,46 milijono kartų sunkesnė už elektroną, 800 kartų sunkesnė už protoną, 6 kartus sunkesnė už Higso bozoną ir beveik penkis kartus sunkesnė už ankstesnį rekordininką – aukščiausią kvarką (top quark). Konkurentų ji neturi netgi tarp atomų (kurie kartais susideda iš šimtų elementariųjų dalelių): švino, aukso ar urano atomai beveik keturis kartus lengvesni.
Iš karto po atsiradimo suyranti dalelė atminimui paliko du fotonus. Fotonu paprastai vadinama mažiausia šviesos porcija, tačiau greitintuve tai buvo ne šviesa, o veikiau ypatingai kieti rentgeno spinduliai, kuriuos ir registravo detektoriai. Patys savaime tokie fotonai – branduolinės fizikos kasdienybė, tačiau šiuo atveju situacija ypatinga tuo, kad jie pernelyg dažnai iki detektorių nusigaudavo vienodos energijos poromis.
Tikimybė, kad tai atsitiktinis sutapimas, – šimtosios procento dalys vieno eksperimento (CMS) ir dešimttūkstantosios – kito (ATLAS) eksperimento atveju. Bet kadangi LHC jutikliai registruoja milijonus įvykių per sekundę, tai pagal tikimybių teoriją kažkokie sutapimai tiesiog privalo įvykti. „Tokių statistinių anomalijų, kurios vėliau išsisklaidydavo, anksčiau buvo daug ir pačių įvairiausių“, – įspėja RMA branduolinių tyrimų instituto Dubnoje teorinės fizikos skyriaus vyr. mokslinis bendradarbis Dmitrijus Gorbunovas. Dmitrijus – autorius vieno iš tų 94 straipsnių, kuriuose bandyta paaiškinti anomaliją gilesnėmis priežastimis, nei tiesiog sutapimas.
Pasak Gorbunovo, viena grupė greitintuvu seniai ieško liudijimų, kad mūsų erdvė iš tiesų nėra trimatė. „Prieš 10–15 metų pradėta vystyti idėja, kad esama papildomų erdvės matmenų, ir didelės energijos dalelės gali ten išskrieti“.
O kur šie papildomi matmenys yra mūsų trijų matmenų atžvilgiu? „Įsivaizduokite oro balioną, kuriuo ropoja skruzdėlė. Pasaulis tai skruzdėlei teturi du matmenis, kaip balionėlio paviršius. Tačiau mes juk žinome, kad balionas pripūstas trimatėje erdvėje ir tą skruzdėlytę galima sučiupti už kojyčių ir perkelti į kitą tašką ant baliono paviršiaus greičiau, nei ji pati galėtų nuropoti“. Aišku, skruzdėlė gali ir pati pašokti į papildomą matmenį (jos atveju – trečią), tačiau tam reikės kaip reikiant įsibėgėti. Lygiai taip ir greitintuve į papildomą matmenį pakliūna tik turinčios pakankamai energijos beveik šviesos greičiu skriejančios dalelės.
„Tokią pasprukusią dalelę lengviausia aptikti pagal kokio nors tvermės dėsnio pažeidimą – tarkime, impulso. Granata negali sprogti taip, kad kad visos jos skeveldros lėktų tik kairėn ar tik dešinėn. Tas pats pasakytina ir apie dalelių skilimą. – Jei Didžiajame hadronų priešpriešinių srautų greitintuve į vieną pusę nulėkė koks nors energingas fotonas, o į kitą pusę – nieko, – gali būti, kad trūkstamas fotonas tiesiog nulėkė į papildomą matmenį“, – dėsto Gorbunovas.
Konkrečiai toks įvykis dar neužfiksuotas, tačiau anomalija – stiprus argumentas papildomų erdvės matmenų egzistavimo naudai. Viena iš hipotezių teigia, kad naujoji dalelė – daugiamatis giminaitis gravitono, įprastiniame pasaulyje atsakantis už traukos jėgą. Profesorius Boosas svarsto: „Gravitonai užtikrina trauką ir tai, kad Žemė sukasi aplink Saulę. Pats jis masės neturi. Tačiau toks yra įprastas gravitonas. O čia gali būti sužadintos gravitono būsenos modeliuose, pagal kuriuos yra daugiau erdvėlaikio matmenų. Arba veikiau skaliarinė dalelė radionas, kurią modeliai su papildomais matmenimis irgi numato“.
Tokiu pat netiesioginiu būdu anomalija gali nurodyti specialių tamsiosios materijos dalelių egzistavimą. Astrofizikai mano, kad šios materijos debesys supa galaktikas ir laiko jas drauge savo gravitaciniu lauku, tačiau pati nešvyti. Ir niekaip kitaip nesąveikauja, tik gravitaciškai, nei su įprasta medžiaga, nei su šviesa – iš čia ir pavadinimas „tamsioji“. Todėl ryškios galaktikų spiralės, kurias matome kosmoso nuotraukose, tėra nedidukas švytintis graužtukas didžiuliame tamsiame obuolyje.
Iš ko tamsioji materija sudaryta, nežinia, nors versijų būta ir tebėra kuo įvairiausių. Artimesnė dalelių fizikai idėja susijusi su ypatingomis elementariosiomis dalelėmis, WIMP, kurios irgi nedera su Standartinu modeliu. Gorbunovas patikslina, kad pati anomalija negali būti WIMP, nes tamsioji materija stabili ir nesuyra nuo pat galaktikų susidarymo prieš daug milijardų metų, o hipotetinė dalelė greitintuve suskilo akimirksniu. Tačiau vienas iš anomalijai skirtų straipsnių, skelbia naująją dalelę esant „tamsiuoju pionu“ – nestabiliu artimu WIMP giminaičiu.
WIMP daleles ir jų giminaičius aprašo skirtingos supersimetrijos teorijos. Paprastos simetrijos operacijos dalelių pasaulyje – pavyzdžiui, elektros krūvio pakitimas iš teigiamą į neigiamą. Taip randasi antidalelės, veidrodiniai įprastų dalelių atvaizdai, kurių masė, be viso kito, yra tokia pati. O supersimetrija vietoje antidalelių pagimdo „sunkiuosius partnerius“, kurie ir sveria daugiau, ir skiriasi dar daug kuo – pavyzdžiui, bozonai nustoja būti bozonais.
Pagal kitą hipotezę, daleles vertėtų lyginti ne su graikų, o su indėnų dievais. Pavyzdžiui, Higso bozonas ne vienas, o turi net penkis įsikūnijimus. Ir anomalija – vienas iš jų.
Gorbunovas pasakoja: „Vienoje iš paprasčiausių Standartinio modelio modifikacijų yra ne vienas Higso laukas, o du. Pagal ją, turėtų būti ne vienas Higso bozonas, o penki. Trys neutralūs ir du įkrauti. Tada lengviausias higsonas yra tas, kuris atrastas 2012 m. O likę – sunkesni, ir, galbūt, tai, ką dabar stebime, – vienas iš trūkstamų neutralių Higso bozonų“.
Pagal paties Gorbunovo straipsnio versiją, anomalija yra visos paralelios realybės ženklas. Pati anomalija – tai supergoldstinas, labai lengvos dalelės, goldstino (už kurios tyrimus šiemet paskirta fizikos Nobelio premija), panašios į neutroną, supersimetrinis partneris.
Supergoldstinas sukelia vadinamąjį „spontaninį supersimetrijos pažeidimo“ efektą. Jeigu mokslininkams kolaideryje pavyko sukurti būtent šią dalelę, tai spontaninis supersimetrijos pažeidimas vyksta esant tokioms energijoms, kuriuos Didysis hadronų greitintuvas pasiekti gali. „Ir tai reiškia, kad esame prie ribos, kai pradėsime fiksuoti daug naujų dalelių“, – tęsia mintį Gorbunovas. Ir tada fizikai gali tikėtis, kad atradimai pasipils vienas po kito – kaip kad atradus Ameriką, kilo kitų atradimų, nuo botaninių iki civilizacinių, škvalas. Ir yra pagrindas manyti, kad naujosios dalelės, kurios pasirodys po supergoldstino, nuo mums pažįstamų skirsis ne mažiau, nei actekų dievai nuo senovės graikų dievų.
