911? Skubus atvejis. Dingo svarbiausia visatos dalelė. Florianas Goertzas žino, kad šiuo klausimu į policiją kreiptis neverta, tačiau vis viena nekantriai laukia atsako. Šis 911 yra ne telefono numeris, o pastatas šiaurinėje didžiausio pasaulyje dalelių greitintuvo dalyje.
27 kilometrų ilgio žiedo formos Didįjį hadronų greitintuvą (LHC) naudojanti organizacija CERN prieš keletą metų visuose pasaulio žiniasklaidos puslapiuose buvo linksniuojama dėl to, kad 2012 m. liepą atrado senokai teoriškai prognozuotą elementariąją dalelę – Higgso bozoną.
Tai buvo svarbus įvykis. Bet, palyginus su dalele, kurios tuo pačiu greitintuvu nori ieškoti B.Goertzas, tai yra šnipštas. Higgso bozono atradimas išsprendė fundamentalių dalelių masės problemą. F.Goertzo kūdikis galėtų vienu mostu išspręsti penkias svarbias fizikos problemas: nuo nepaaiškinto subatominių dalelių veikimo iki Visatos radimosi ir ją dabar valdančios paslaptingos tamsiosios materijos kilmės paslapties. „Bet kurios iš šių užduočių sprendimas būtų proveržis, vertas Nobelio premijos fizikos srityje“, – sako Oksfordo universiteto fizikė teoretikė Giulia Zanderighi.
Per gerai kad būtų tiesa? Gali būti, bet to siekia ne vien F.Goertzas. Savo biure Maxo Plancko dalelių ir kosminių dalelių fizikos institute Heidelberge, Vokietijoje, jis bendradarbiavo ir varžėsi su tyrėjais iš viso pasaulio, stengdamasis aprašyti tokios dalelės savybes ir nuspėti, kaip ji galėtų elgtis. Jeigu jie teisūs, skambutis iš 911, kur jų prognozės būtų patikrintos, patvirtintų svarbiausios Visatoje dalelės atradimą.
Norint suprasti, kodėl tai taip svarbu, neprošal būtų apibrėžti, kas yra dalelė. Dažniausiai dalelę galime įsivaizduoti kaip skrajojančius erdvėje ar kietame kūne susijungusius mikroskopinius marmuro kamuoliukus. Tačiau jeigu norime suprasti jų elgseną, tokio požiūrio reikia atsikratyti. Vietoj to geriau įsivaizduoti Visatą, pripildytą fluktuojančių laukų, kurių kvantinio mastelio trikdžiai pasireiškia kaip dalelės ar jėgos.
Spręsdami fundamentalias problemas teoretikai kuria ir naikina laukus. Bet kadangi daleles visi jie kuria savo galvose ir popieriuje, praktinius jų egzistavimo įrodymus gali pateikti tik dalelių greitintuvai.
Taip buvo ir Higgso lauko bei su juo siejamo Higgso bozono atveju. Jie buvo teoriškai aprašyti 1964 metais, stengiantis paaiškinti silpnosios branduolinės sąveikos trumpą veikimo nuotolį ir tuo pačiu suteikiant dalelėms masę. Higgso bozono paieškos truko beveik 50 metų. Tuo tarpu radosi vis daugiau teorinių spragų, į kurias – kartais per jėgą – fizikams teko sprausti kitas hipotetines daleles.
Pavyzdžiui, supersimetrijos teorijoje visoms žinomoms dalelėms buvo suteikti masyvesni partneriai, – toks suporavimas turėjo vienu mostu išspręsti tris dalelių fizikos problemas. Bet tikriausiai buvo perlenkta lazda. Šios supersimetrinės dalelės turėjo pasirodyti LHC jau po pirmojo įjungimo 2009 m. ir ypač po jo atnaujinimo 2015-aisiais. Tačiau jokių superdalelių neaptikta.
Kiti teoretikai žvelgė į tai paprasčiau. 2016 metais Guillermo Ballesteros iš Paris-Saclay universiteto Prancūzijoje pasiūlė SMASH hipotezę, kur penkios mįslės išnarpliojamos pridedant šešias papildomas daleles.
F.Goertzui ir jo kolegoms netgi tai atrodo pernelyg švaistūniška. Užuot svajojus apie tuntus naujų dalelių, gal kai kurias hipotetines daleles būtų įmanoma apjungti į vieną? Teoretikams nereikėtų taip nesmagiai jaustis: užuot pripažinę, kad nerado viso būrio dalelių, jie galėtų susitelkti į vienos dalelė paieškas.
Rezultatas – dalelių „šveicariškas peilis“, galintis išspręsti visokiausias keblias problemas. Pirmoji gimė 1977 m., kai Roberto Peccei ir Helen Quinn iš Stenfordo universiteto (JAV) sprendė vieną iš labiausiai erzinančių kvantinės chromodinamikos – protonų ir neutronų sąveiką aprašančios teorijos – problemų.
Vadinamoji stipriosios sąveikos CP problema kyla dėl to, kad protonų ar neutronų viduje veikianti stiprioji sąveika tam tikrose situacijose turėtų pažeisti CP simetriją. O faktą, kad tokio pažeidimo užfiksuoti nepavyko, reikia paaiškinti. R.Peccei ir H.Quinn pasiūlymas tai apeiti buvo ekvivalentiškas naujo, neaptiktam simetrijos pažeidimui besipriešinančio, lauko pasiūlymui.
Stengdamasis patvirtinti tokio lauko egzistavimą, Nobelio premijos laureatas Frankas Wilczekas atrado, kad, kaip ir visi pakankamai įnirtingai banguojantys kvantiniai laukai, naujasis laukas kuria naujos dalelės potencialą. F.Wilczekas pavadino ją aksionu.
Panašiu laiku kilo antroji dalelių fizikos problema. Colinas Froggattas iš Glazgo universiteto, JK, ir Holgeris Nielsenas iš Kopenhagos universiteto Nielso Bohro instituto piktinosi kvarkais, subatominėmis dalelėmis, sudarančiomis protonus ir neutronus, tad iš esmės visą materiją. Yra šeši kvarkai, bet jų masės siaubingai skiriasi: viršūninis (top, t) kvarkas yra apie 80 000 kartų masyvesnis už kylantįjį (up, u) kvarką. „Tai nesuprantama. Būtų galima tikėtis, kad masės bus daugmaž tokios pačios. O jei dalykų prigimtis taip stipriai skiriasi, kyla noras išsiaiškinti tokio didelio neatitikimo priežastis“, – sako F.Goertzas.
C.Froggattas ir H.Nielsenas problemą pasiūlė išspręsti vadinamuoju flavono lauku. Šis laukas sugrąžina skirtingų kvarkų skirtingai griaunamą simetriją. Jis prognozuoja labai skirtingas kvarkų mases, o būtent tai eksperimentų rezultatai ir rodo.
O kaip tokios, regis, itin skirtingos dalelės susijungia į vieną? Per pastaruosius porą metų dvi fizikų grupės nepriklausomai atrado kosminį sutapimą: flavono lauko kuriamoje dalelėje yra komponentas, itin panašus į aksioną. „Pasirodo, kad jei aksionas yra flavono lauko komponentas, jis vis viena išsprendžia stipriosios sąveikos CP problemą“, – pažymi F.Goertzas. Tuo tarpu flavonas tuo pat metu išsprendžia keistųjų kvarkų masių problemą.
Aksiono ir flavono sąjunga – aksiflavonas arba flaksionas – turi ir daugiau privalumų. Nuo praėjusio amžiaus aštuntojo dešimtmečio, ieškodami didžiųjų Visatos struktūrų paaiškinimo, fizikai iškėlė itin sparčiai netrukus po Didžiojo sprogimo vykusio plėtimosi (infliacijos) hipotezę. Tokį erdvės ir laiko plėtimąsi galėjo sukelti dalelė inflatonas, kuri, kaip buvo spekuliuojama, galėjo būti aksionas arba flavonas. Negana to, standartiniais būdais neaptikus tamsiosios materijos, dėmesys nukrypo į alternatyvaus tamsiosios medžiagos kandidato, aksiono, paieškas. Abu panaudojimo būdai galimi netgi naujajame aksiflavono amplua.
Lyg to nepakaktų, aksiflavonas gali turėti ir daugiau supergalių. „Sprendžiame didesnį suvienijimą: aksiflavono ir Higgso“, – sako F.Goertzas.
Tai įspūdingas teorinis šuolis, bet jis išspręstų kitą fundamentalią problemą. Kai 2012 metais LHC buvo atrastas Higgso bozonas, jo masė buvo mažesnė, nei tikėjosi daugelis fizikų. Remiantis teorija, jo masė turėtų būti net 10¹⁹ gigaelektronvoltų, bet tesvėrė 125 GeV. Niekas negali paaiškinti 17 skaičiaus eilių dydžio skirtumo. Bet tinkamai sukonfigūruotas aksiflavonas galėtų Higgso masę išlaikyti.
Iš viso aksiflavonas galėtų vienu ypu išspręsti penkias daugiausiai rūpesčių keliančias fizikos problemas: netikėtą stipriosios sąveikos CP simetrijos išlaikymą, skirtingas kvarkų mases, Visatos infliaciją, tamsiosios materijos prigimtį ir netikėtai mažą Higgso masę. „Atrodo įspūdinga, kad viena [dalelė] taip paprastai gali išspręsti tiek daug svarbių fizikos problemų „ne standartiniame modelyje,“ – sako F.Wilczekas.
Tai išties jaudina, nors kol kas prielaida tvirtai įsitaisiusi spėlionių karalystėje. Padėties keitimo raktas guli Pastate 911, čia vykdomas CERN eksperimentas NA62. Nors NA62 nėra taip gerai žinomas kaip kai kurie kiti, didesni eksperimentai, juo siekiama išties svarbaus tikslo: patobulinti mūsų supratimą apie kvarkus, tiriant kvarkų ir antikvarkų porų irimą.
Tikimasi, kad NA62 aptiks ką nors netikėto šių skilimo produktų energijose, fizikos už Standartinio dalelių fizikos modelio ribų užuominas. Tačiau dėl aksiflavono savybių jis gali atsirasti ir kaip papildomas skilimo produktas. Šis eksperimentas „glaudžiai susijęs su aksiflavono paieškų analize“, sako viena iš NA62 eksperimentatorių Babette Dobrich.
To pakanka, kad F.Goertzas jaustųsi atsargiai sujaudintas. „Nėra neįmanoma aptikti tokios dalelės ir tai nuteikia mane optimistiškai“, – sako jis.
Derlingi laukai
O kada žinosime užtikrintai? Galbūt jau netrukus. Viskas priklauso nuo aksiflavono masės. „Aksiflavono masė nežinoma, tad, jeigu jis egzistuoja, nežinia kur jis pasirodys“, – sako B.Dobrich. Bet jeigu F.Goertzui su kolegomis pavyks Higgso dalelę suvynioti į aksiflavoną, masė bus apibrėžta gerokai tiksliau ir eksperimentatoriai tiksliai žinos, kur jo ieškoti.
Garantijų nėra. Bet daugiafunkcinės dalelės vis labiau mėgstamos. Weizmanno Mokslo instituto Rehovote, Izraelyje, tyrėjai pasiūlė savo šveicariško peiliuko dalelę – hierarchioną, kuris kitokiomis priemonėmis gali atlikti daugmaž tokias pat užduotis, kaip ir aksiflavonas.
Žodžiu, panašu, dabar – vaisingas dalelių fizikos momentas ir pagrįsta manyti, kad esame ant proveržio slenksčio. „Atrodo vis labiau tikėtina, kad esama dar neatrastų sričių. Tai tikėtina vien jau iš kuklumo, bet ir tamsioji materija ir infliacija primygtinai reikalauja kažko naujo“, – sako fizikas Davidas Tongas iš Kembridžo universiteto (JK).
Kol ši teoretikų karta leidžia šėlti vaizduotei, ankstesnių kartų̃ darbai gali pažaboti bet kokius ekscesus. „Nevalia tiesiog įsivaizduoti dalelę ir tarti, kad ji veiks ir išspręs visas problemas. Yra teoriniai ir eksperimentiniai apribojimai, į kuriuos būtina atsižvelgti,“ – pažymi G. Ballesteros.
Kai pilna naujų idėjų, paverčiančių daugybę problemų viena, smagu būti dalelių fiziku, sako F.Goertzas. Ypač, kai toje nedidukėje CERN pašiūrėje gali būti aptikti problemų sprendimo raktai. Tikėkimės, pavadinimas 911 nebus veltui.
Simetrijos svarba
Sužinoti naujų dalelių slaptavietes – keblu. Galingiausias mūsų turimas žibintas yra simetrija: idėja, kad kas nors atrodo ir elgiasi taip pat, net jei kai kurie jo pozicijos, krypties ar orientacijos aspektai pakinta. Tarkime, skritulio sukimo simetrija yra visiška, o kvadrato sukimo simetrija nevisiška – jis atrodo taip pat tik pasukus jį 90 laipsnių kartotiniais.
Fizikai į neveikiančias simetrijas kreipia ypatingą dėmesį. „Simetrija tiesiog šiaip sau nesugenda – visada būna kokia nors priežastis“, – sako D.Tongas.
Tai ypač būdinga sudėtingose dalelių fizikos simetrijose. Užuot sukinėjus dalelę ar ją judinus, galima pakeisti ją priešingą krūvį turinčia antidalele. Jei sąveika dėl to nesikeičia, tai ir yra simetrija. Pavyzdžiui, du elektronai atstumia vienas kitą lygiai taip pat, kaip ir du pozitronai, tad, jų fizika identiška, nors krūvis atvirkščias. tai vadinama krūvio simetrija.
Apsivertimas – svarbus
Kita svarbi simetrija yra laiko apsivertimas. Įsivaizduokite, žiūrite biliardo rungtynių įrašą, ir matote, kaip kamuoliukas atšoka nuo bortelio. Sukdami įrašą atgal, matote, kaip kamuoliukas juda link bortelio. Jeigu jis atšoktų skirtingu kampu, nei matėte pirmiau, būtų pažeidžiama laiko apgręžimo simetrija.
Trečioji fundamentali simetrija yra lyginumo simetrija. Šįkart stebėdami biliardo partiją, matote pradinį smūgį atsispindintį veidrodyje. Jeigu jis veidrodiniame atspindyje nuo bortelio atšoka skirtingu kampu, tai yra lyginumo simetrijos pažeidimas.
Kartais simetrijos pažeidimo nė nereikia ieškoti – tiesiog jo nėra, nors turėtų būti. Tarkime, 1964 metais fizikas Murray'us Gell-Mannas simetrijos prielaidas pritaikė standartiniam dalelių modeliui ir jam kilo idėja, kad turėtų egzistuoti dalelės, kurios, jas tinkamai sudėjus, turėtų sudaryti atomų branduolių protonus ir neutronus. M.Gell-Manno matematinė nuojauta neapgavo: jo spėti „kvarkai“ vėliau buvo aptikti ir M.Gell-Manno pastangos įvertintos Nobelio fizikos premija.
Galima kombinuoti kai kurias simetrijas ir pažiūrėti, ar randasi kas įdomaus. Tarkime, krūvio ir lyginumo (CP) simetrija. Vieną ar kitą simetriją galinčios pažeisti sistemos, pritaikius abi transformacijas, galiausiai atrodo taip pat. Kitaip tariant, galima rasti dvi skirtingas perspektyvas, – pavyzdžiui, dalelę ir veidrodyje atspindėtą jos antimedžiaginį ekvivalentą, – kuriose veiksmas atrodo vykstantis taip pat.
Šios simetrijos svarbios didžia dalimi dėl to, kad mums patinka, kai jos kartais sulūžta: dėsniai, dalelės ir fizikos jėgos kilo iš simetrijos pažeidimo. Jos sukuria tai, ką Davidas Grossas iš Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje (JAV) Kavli teorinės fizikos instituto vadina „pasaulio tekstūra“. Tokie samprotavimai paskatino F.Goertzą spėti, kad egzistuoja nauja dalelė, kuri viena pati gali sutvarkyti penkias kebliausias fizikos problemas. „Visiška simetrija nuobodi. Jei simetrija šiek tiek pažeidžiama, gali prasidėti įdomūs dalykai“, – sako F.Goertzas.
