Den regerende teori for partikelfysik forklarer alt om den subatomiske verden… bortset fra de dele, som den ikke gør. Og desværre er der ikke mange smigrende adjektiver, der kan anvendes til den såkaldte Standard Model. Denne teori om grundlæggende fysik er bedst opbygget bit for bit i løbet af årtier. Det beskrives bedst som ugudeligt, hodgepodge og MacGyver-ed sammen med stykker streng og tyggegummi.
Det er stadig en utrolig kraftig model, der nøjagtigt forudsiger en enorm række forskellige interaktioner og processer.
Men det har nogle blændende mangler: Det inkluderer ikke tyngdekraften; det kan ikke forklare masserne af forskellige partikler, hvoraf nogle tildeler kraft; det har ikke en forklaring på visse neutrino-opførsler; og den har ikke noget svar på eksistensen af mørk stof.
Så vi skal finde ud af noget. Vi er nødt til at gå ud over standardmodellen for bedre at forstå vores univers.
Desværre er mange af de førende kandidater til at forklare dette store ud over - kaldet supersymmetriske teorier - blevet udelukket eller stærkt begrænset i de senere år. Der er stadig et Hail Mary-koncept, der kan forklare de mystiske dele af universet, der ikke er omfattet af standardmodellen, dog: Langlivede supersymmetriske partikler, som undertiden kaldes spartikler til kort. Men deprimerende, en nylig søgning efter disse ulige kuglepartikler er kommet tomhendt tilbage.
Ikke-så-super symmetri
Langt de mest trendy sæt teorier, der skubber forbi grænserne for den nuværende standardmodel, er samlet i en klasse af ideer kendt som supersymmetri. I disse modeller har de to store lejre af partikler i naturen ("bosoner", såsom de velkendte fotoner; og "fermioner" - som elektroner, kvarker og neutrinoer) faktisk et underligt slags søskendeforhold. Hver enkelt boson har en partner i fermion-verdenen, og ligeledes har hver fermion en boson-ven til at kalde sin egen.
Ingen af disse partnere (eller mere passende i den forvirrende jargon af partikelfysik - "superpartnere") hører til den normale familie af kendte partikler. I stedet for er de typisk meget, meget tungere, fremmed og generelt mere serende ud.
Denne forskel i masse mellem de kendte partikler og deres superpartnere er resultatet af noget kaldet symmetri-breaking. Dette betyder, at ved høje energier (som indersiden af partikelacceleratorer) er de matematiske forhold mellem partikler og deres partnere på en jævn køl, hvilket fører til lige store masser. Ved lave energier (som de energiniveauer, du oplever i den normale hverdag), er denne symmetri dog ødelagt, hvilket giver partnermasserne skyrocketing. Denne mekanisme er vigtig, fordi det også sker for potentielt at forklare, hvorfor f.eks. Tyngdekraften er så meget svagere end de andre kræfter. Matematikken er bare en lille smule kompliceret, men den korte version er denne: Der brød noget i universet, hvilket fik de normale partikler til at blive drastisk mindre massiv end deres superpartnere. Den samme brudende handling kan have straffet tyngdekraften og formindsket dens styrke i forhold til de andre kræfter. Fiks.
Leve længe og blomstre
For at jage efter supersymmetri, flisede en flok fysikere ind og byggede atomknuseren kaldet Large Hadron Collider, som efter år med hård søgning kom til den overraskende, men skuffende konklusion, at næsten alle supersymmetri-modeller var forkerte.
Ups.
Kort sagt, vi kan ikke finde nogen partikler. Nul. Zilch. Nada. Der er ikke vist nogen antydning om supersymmetri i verdens mest magtfulde collider, hvor partikler lynlås rundt en cirkulær kontrast i næsten lyshastighed, før de kolliderer med hinanden, hvilket undertiden resulterer i produktion af eksotiske nye partikler. Det betyder ikke nødvendigvis, at supersymmetri i sig selv er forkert, men alle de enkleste modeller er nu udelukket. Er det tid til at opgive supersymmetri? Måske, men der kan være en Hail Mary: lang levede partikler.
Normalt, i landet med partikelfysik, jo mere massiv er du, jo mere ustabil er du, og jo hurtigere henfalder du til enklere, lettere partikler. Det er lige som tingene er. Da partnerpartiklerne alle forventes at være tunge (ellers ville vi have set dem i øjeblikket), forventede vi, at de hurtigt ville henfalde i brusere af andre ting, vi måske genkender, og så ville vi have bygget vores detektorer i overensstemmelse hermed.
Men hvad nu hvis partnerpartiklerne var langvarige? Hvad hvis, gennem en vis form for eksotisk fysik (give teoretikere et par timer til at tænke over det, og de vil komme med mere end nok besynderheder til at få det til at ske), disse partikler formår at undslippe vores detektorers rammer inden pligtopfyldt forfald til noget mindre mærkeligt? I dette scenarie ville vores søgninger være kommet helt tomme ud, simpelthen fordi vi ikke kiggede langt nok væk. Vores detektorer er heller ikke designet til at være i stand til at lede direkte efter disse langvarige partikler.
ATLAS til redning
I et nyligt papir, der blev offentliggjort online 8. februar på preprint-serveren arXiv, rapporterede medlemmer af ATLAS (noget akavet korthed for A Toroidal LHC ApparatuS) -samarbejdet i Large Hadron Collider en undersøgelse af sådanne langvarige partikler. Med den aktuelle eksperimentelle opsætning kunne de ikke søge efter enhver mulig langvarig partikel, men de var i stand til at søge efter neutrale partikler med masser mellem 5 og 400 gange protonens.
ATLAS-teamet søgte efter de langlivede partikler ikke i midten af detektoren, men ved dens kanter, hvilket ville have gjort det muligt for partiklerne at rejse hvor som helst fra et par centimeter op til et par meter. Det synes måske ikke meget langt med hensyn til menneskelige standarder, men for massive, grundlæggende partikler kan det lige så godt være kanten af det kendte univers.
Naturligvis er dette ikke den første søgning efter partikler med lang levetid, men det er den mest omfattende ved hjælp af næsten den fulde vægt af belastninger med eksperimentelle poster hos Large Hadron Collider.
Og det store resultat: Intet. Nul. Zilch. Nada.
Ikke et eneste tegn på nogen, der har levet lang levetid.
Betyder det, at idéen også er død? Ikke helt - disse instrumenter var ikke rigtig designet til at gå på jagt efter denne slags vilde dyr, og vi skraber kun med det, vi har. Det kan tage en anden generation af eksperimenter, der er specifikt designet til at fælde partikler med lang levetid, inden vi rent faktisk fanger en.
Eller mere deprimerende, de findes ikke. Og det ville betyde, at disse skabninger - sammen med deres supersymmetriske partnere - virkelig bare er spøgelser, der drømmes op af febere fysikere, og hvad vi faktisk har brug for er en helt ny ramme til at løse nogle af de fremragende problemer i moderne fysik.
