Naukowe oczekiwania od nowej wersji LHC
Ogólnie mówi się o dwóch możliwościach. Albo okaże się, że fizycy-teoretycy, którzy rozwijają teorię cząstek supersymetrycznych (1), mają rację i zostaną one odkryte, albo też dowiemy się, że niczego takiego w przedziale dostępnych nam energii nie widać i wtedy czeka nas... No właśnie - co?
Tak, odkryliśmy cząstkę Higgsa (bozon), ale nie wiemy, jakiego jest rodzaju, a niektóre teorie sugerują, że istnieje ich aż pięć typów.
Odkrycia prowadzą do kolejnych pytań na temat Wszechświata, które pozostają bez odpowiedzi. W pewnym sensie Wielki Zderzacz Hadronów dopiero rozpoczął pracę.
Naukowcy szacują, że tak naprawdę LHC pozyskał dopiero jeden procent danych, których od niego oczekujemy w czasie całego okresu użytkowania. Wkroczenie na energetyczne poziomy zderzeń 13 TeV, a potem, jeśli się da, 14 TeV to zetknięcie z obszarami nieznanymi współczesnej fizyce.
Naukowcy mają nadzieję, że dzięki osiągnięciu tak gigantycznych energii będzie możliwe zaobserwowanie nowych cząstek. Wśród nich mają znaleźć się te stanowiące tzw. ciemną materię (2), mające naturę będącą bodaj największą zagadką kosmologiczną, oprócz ciemnej energii.
Te hipotetyczne cząstki nazywane są WIMP (Weakly Interacting Massive Particles - "słabo oddziałujące cząstki masywne"), a ich pojawienie sygnalizowane byłoby nie wprost, lecz przez oznaki takie, jak niedobory energii i pędu cząstek powstałych podczas zderzenia, zmierzone przez cztery detektory LHC.
Sam bozon Higgsa kryje w sobie wiele tajemnic. Fizycy np. zastanawiają się, dlaczego jego masa znajduje się w niezbyt stabilnej strefie opisywanej przez Model Standardowy.
"Jeśli istnieje tylko standardowy Higgs i nic więcej, masa tego bozonu jest w teorii mało ustabilizowana," mówi serwisowi symmetrymagazine. org dr Hideki Okawa z Narodowego Laboratorium Brookhaven.
"Wielu ludzi uważa, że musi być coś więcej, co stabilizuje masę cząstki Higgsa", kontynuuje, dodając, że większa liczba odmian tego bozonu uczyniłaby badaną teorię "bardziej naturalną".
Dogłębniejsze analizy bozonu Higgsa, przeprowadzone po jego odkryciu, pokazały, że zachowuje się jak pojedyncza cząstka.
Prawdę mówiąc, fizycy liczyli na większą złożoność - całą rodzinę tego rodzaju bozonów różniących się od siebie nieco właściwościami. Stanowiłoby to krok w kierunku poznania zjawisk dotychczas niedających się wyjaśnić: grawitacji, ciemnej materii i energii. W nowej odsłonie, jak piszą uczeni w wielu dostępnych analizach, mogą pojawić się nowe, znacznie cięższe, cząstki Higgsa.
Albo supersymetria, albo naukowa rewolucja
Podstawowe reguły mechaniki kwantowej mówią, że pustej przestrzeni nie ma. Im bliżej przyglądamy się tzw. próżni, tym lepiej widzimy, jak kipi od wirtualnych cząstek i antycząstek. W Modelu Standardowym bozon Higgsa powinien wchodzić w mocne interakcje z morzem wirtualnych cząstek, co podnosiłoby jego masę do olbrzymich wartości, znacznie większych niż te, zmierzone przez LHC.
Jeśli ta wielka masa zostałaby zrealizowana w przyrodzie, zaburzyłoby to zasady fizyki, którą znamy. Tak ciężkie cząstki jednak nie mogą powstawać.
Aby powstała "masa Higgsa", którą postrzegamy, muszą zostać spełnione specyficzne warunki i dobrane określone parametry Modelu Standardowego, co powoduje, że Wszechświat wygląda, jakby został skonstruowany w bardzo szczególny sposób.
"Idealnie dostrojony" (fine-tuned) - tak to często określają fizycy. Aby wyjaśnić to dziwne idealne dostrojenie, teoretycy zaproponowali rozwinięcia modelu, z których najbardziej obiecująca wydaje się teoria supersymetrii. To ona właśnie wprowadza "niewidzialną nitkę" podtrzymującą Model Standardowy.
Wprowadza pojęcie nowych cząstek supersymetrycznych, co znosi nieładne fluktuacje próżni i produkuje tyle "masy Higgsa", ile rzeczywiście obserwujemy. Dodatkowo wyjaśnia zgrabnie kwestie ciemnej materii, proponując najlżejszą cząstkę supersymetryczną jako kandydatkę na składową owej materii.
Jak to zgrabnie ujął w znanej wypowiedzi astrofizyk, laureat Nagrody Nobla, George Smoot (3): "Supersymetria ma symetrię i jest super, ale brakuje eksperymentalnych danych potwierdzających jej prawdziwość." Wtóruje mu w ironii prof. Chris Parkes, z eksperymentu LHCb, zauważając, że "supersymetria może nie jest jeszcze martwa, ale wyniki ostatnich eksperymentów sprawiły, że znalazła się w szpitalu."
Kto wie jednak, może już w tym roku wszystkie te złośliwości stracą aktualność? Model Standardowy (MS) cząstek i sił podsumowuje naszą obecną wiedzę w dziedzinie fizyki cząstek. Był on testowany w wielu eksperymentach i sprawdził się w przewidywaniu istnienia nieznanych uprzednio cząstek.
Jednakże pozostaje wiele nierozwiązanych problemów, na które LHC powinien pomóc odpowiedzieć. MS nie daje jednolitego opisu wszystkich sił fundamentalnych, ponieważ ciągle trudno jest stworzyć teorię grawitacji podobną do teorii pozostałych sił. Supersymetria - teoria, która zakłada hipotetyczne istnienie cięższych partnerów znanych nam cząstek - może ułatwić unifikację fundamentalnych oddziaływań.
Jeżeli jest poprawna, wówczas najlżejsze supersymetryczne cząstki powinny być znalezione właśnie w LHC. Owa koncepcja supersymetrii, w której wszystkie znane nam cząstki mają swoje bliźniacze odpowiedniki, powstała, aby Model Standardowy po prostu działał - bez matematycznych współczynników z wartościami dobranymi tak, aby teoria zgadzała się z obserwacją.
Uczeni liczą na to, że cząstki supersymetryczne ulżyłyby fizyce i Modelowi Standardowemu, z którego można byłoby zrzucić cały balast matematycznych "dopasowywaczy". Niestety, dane zgromadzone w pierwszym okresie pracy LHC wykluczyły niemal wszystkie najczęściej rozważane warianty supersymetrii. Za wcześnie jeszcze mówić, że negatywne wyniki poszukiwań zwiastują kryzys w fizyce cząstek elementarnych, budzi to jednak ogólny niepokój.
Jeżeli w trakcie rozpoczynanej właśnie kolejnej fazy pomiarów nie uda się ich odkryć, znajdziemy się na rozdrożu. Trzeba będzie albo zaprzestać trwających już kilkadziesiąt lat poszukiwań dowodu, że natura zachowuje się zgodnie z naszymi wyobrażeniami, albo podjąć starania, by zbudować zderzacz, który dzięki jeszcze większej energii być może pozwoli potwierdzić nasze racje.
Może być jednak tak, że żadnych śladów supersymetrii nie znajdziemy. Jeden z jej zwolenników, prof. John Ellis, powiedział serwisowi BBC, że jeśli w LHC to się nie uda, to "zostanie bardzo mało kątów, w których mogłaby się jeszcze chować." Co w zasadzie oznacza, że ze szpitala przewieziona będzie do kostnicy. Nie musi to być jednak wcale tragedia - przekonują niektórzy uczeni.
Po prostu otworzy się nowy rozdział badań i teorii, może ciekawszych niż Model Standardowy. Gdy fizyka znalazła się ponad sto lat temu u kresu poprzedniego paradygmatu, Planck, Einstein, Rutherford, Bohr i inni zbudowali gmach zupełnie nowych koncepcji.
Istnieje też taka możliwość, że Model Standardowy nie wymaga żadnej supersymetrii, bo "tak po prostu jest", a wartości fizyczne nie są nieprawdopodobne, tylko jedyne możliwe, aby mógł powstać świat, w którym pojawią się istoty zdolne do ich pomiaru.
Niektórzy obawiają się, że takie rozumowanie prowadzi do koncepcji "boskiej ręki". A co będzie, jeśli okaże się, że nasz Wszechświat jest jedynie jednym z nieskończonej liczby wszechświatów, a w każdym z nich panują inne prawa fizyki?
Gdy przyjmiemy taki pogląd, problem idealnego dostrojenia znika! Masa cząstki Higgsa jest taka, jaka jest, dlatego, że istnieje dużo więcej wszechświatów, w których ma ogromną wartość, ale my nie żyjemy w żadnym z nich.
W jakiś czas po ponownym starcie LHC dyskusja o supersymetrii powinna znaleźć finał. Albo znajdziemy dowody na nią (lub coś do niej podobnego), albo nie znajdziemy nic. Jeśli jednak przyjąć, że ta ostatnia ewentualność oznacza istnienie wszechświatów poza naszym, rozpoczęłoby się wówczas coś w rodzaju niezwykłej rewolucji w naszym sposobie myślenia o rzeczywistości.
Rozjaśnić ciemną materię i energię
O ile dowody na supersymetrię powinny pojawić się już w wkrótce po restarcie LHC, o tyle polowanie na ciemną materię potrwa pewnie dłużej. Pęknięcia i zarysowania konstrukcji Modelu Standardowego zaczęły powstawać na długo przed tym, zanim go opisano i zaczęto używać tej nazwy. Już w 1933 r. szwajcarski astronom Fritz Zwicky (4) zauważył, że z gwiazdami dzieje się coś dziwnego.
Z jego obserwacji wynikało, że galaktyki w odległej gromadzie Coma poruszają się tak szybko, iż powinny przezwyciężyć wiążącą je grawitację.
Jednocześnie fakt, że gromada się nie rozpada, sugeruje istnienie czegoś niewidzialnego, co wytwarza grawitacyjne siły trzymające galaktyki "w kupie".
To niewidzialne nazywamy dziś ciemną materią. Nie odbija ona, nie absorbuje, ani nie emituje światła, co oznacza, iż jest kompletnie niewidzialna dla naszych teleskopów. Jednak dowody na jej istnienie są trudne do podważenia.
Niedawne pomiary dokonane przez Europejską Agencję Kosmiczną za pomocą teleskopu Planck (5) sugerują, że jest jej ponad pięć razy więcej niż zwykłej materii.
Model Standardowy nie ma na temat owej ciemnej materii nic istotnego do powiedzenia. Oznacza to, że pomimo naszych sukcesów w mapowaniu cząstek składowych atomów, które są budulcem planet, gwiazd i innych ciał kosmicznych, wciąż nie wiemy, z czego jest zrobiona większość Wszechświata.
Obserwacje kosmologiczne i astrofizyczne pokazały, że cała widzialna materia nie stanowi nawet pięciu procent Wszechświata (6)! Prowadzone są badania cząstek i zjawisk odpowiedzialnych za ciemną materię (ok. 26 procent) i ciemną energię (prawie 70 procent).
Najpopularniejsze przypuszczenie mówi o tym, że ciemna materia zbudowana jest z nieodkrytych jeszcze neutralnych cząstek supersymetrycznych, co sprawia, że... wracamy do wcześniej opisywanego celu prac LHC po restarcie.
A co z ciemną energią? To forma energii, która, jak się okazuje, jest związana z próżnią w przestrzeni. Pozostaje równomiernie rozłożona w całym Wszechświecie - i w czasie. Innymi słowy, jej efekt nie osłabia się w miarę rozszerzania się Wszechświata. Równomierne rozłożenie oznacza, że ciemna energia nie powoduje żadnego lokalnego efektu grawitacyjnego, ale raczej ma globalny wpływ na Wszechświat jako całość.
Powoduje to powstanie siły odpychającej, która ma tendencję do przyspieszania rozszerzania się Wszechświata.
"Nie czekamy na ciemną materię, aby znalazła nas, ani nie szukamy jej nigdzie we Wszechświecie", zauważyła zaangażowana w eksperyment detektora ATLAS Heidi Sandaker, fizyk Uniwersytetu w Bergen, dla poświęconego fizyce portalu symmetrymagazine. org. "Chcemy ją stworzyć sami, w LHC."
Ciemna energia prawie nie oddziałuje jednak ze zwykłą materią. Może więc przejść przez detektor bez jakiegokolwiek śladu. Tylko brakująca energia będzie wskazówką, że się pojawiła w eksperymencie.
To właśnie bilansując energie i masy na wejściu i na wyjściu naukowcy odkryli neutrina, ulotne cząstki, niezwykle rzadko wchodzące w interakcje ze zwykłą materią.
Aby wychwycić coś tak trudnego do wykrycia jak ciemna materia, potrzebne będą dane z wielu różnych eksperymentów. "Jeśli jeden z nich podaje silny sygnał o pojawieniu się ciemnej materii, to inne muszą również dostarczyć danych potwierdzających ten fakt", wyjaśnia Gian Giudice, teoretyk z CERN.
Dlaczego Wszechświat nie jest tak samo "anty"?
LHC pomoże również w badaniu zagadki antymaterii. Materia i antymateria musiały zostać wyprodukowane w tych samych ilościach w czasie Wielkiego Wybuchu, lecz na podstawie dotychczasowych obserwacji wiemy, że nasz Wszechświat jest zbudowany tylko z materii. Dawniej uważano, że antymateria stanowi dokładne "odbicie lustrzane" materii.
Teraz wiemy, że odbicie nie jest dokładne, i że może doprowadzić do zachwiania równowagi między materią a antymaterią we Wszechświecie.
Przyjmując, że po Wielkim Wybuchu Wszechświat podzielił się w jakiś sposób na różne domeny, w których przeważała albo materia, albo antymateria, jest jasne, że na granicy tych domen powinna występować anihilacja, w wyniku której produkowane jest promieniowanie kosmiczne (gamma).
Biorąc pod uwagę pola prawdopodobieństw zajścia zderzeń anihilacyjnych, a także odległość i kosmiczne przesunięcia ku czerwieni, można przewidzieć ilość rozmytego promieniowania gamma docierającego do Ziemi. Zaobserwowana wartość, w przybliżeniu 10-5, nakłada silne ograniczenie na ilość antymaterii we wczesnym Wszechświecie.
Jeszcze podczas poprzedniego etapu pracy Zderzacza badacze analizujący wyniki eksperymentów poinformowali o śladach procesów na poziomie cząstek elementarnych, które mogą wyjaśnić, dlaczego nasz Wszechświat składa się w większym stopniu z materii niż antymaterii.
Naukowcy w CERN zauważyli w rezultatach swoich doświadczeń, także tych starszych, przed powstaniem LHC (7), że pewien typ cząstek, nazywany mezonami Bs, rozpada się "chętniej" na cząstki materii niż antymaterii.
Naukowcy policzyli, że tylko jeden na cztery rozpady prowadzi do cząstek antymaterii. Wprawdzie ich odkrycie dobrze pasuje do Modelu Standardowego, to jednak wciąż nie daje odpowiedzi na pytanie - dlaczego?
Fizycy mają jednak nadzieję, że dowiedzą się więcej, gdy przeprowadzą więcej eksperymentów w LHC 2.0 i otrzymają większą ilość danych z rozpadów cząsteczkowych.
Badanie zderzeń proton-proton i ciężkich jonów w LHC pozwoli na nowe spojrzenie na stan materii zwanej plazmą kwarkowo-gluonową (QGP), która według współczesnych hipotez istniała we wczesnym Wszechświecie, zanim powstały cząstki elementarne.
Gdy ciężkie jony zderzają się przy bardzo dużych energiach, tworzą się na chwilę gorące skupiska gęstej materii (fireballs - "kule ogniste"), które przypominają stan Wszechświata w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu (8).
Kiedy Wszechświat ostygł, kwarki zostały uwięzione w złożonych cząstkach, takich jak protony i neutrony. Zjawisko to zwane jest uwięzieniem kwarków. W zderzeniach zachodzących w podziemnych tunelach temperatura przewyższy 100 tys. razy temperaturę we wnętrzu Słońca.
W tych warunkach kwarki są znów uwalniane, a detektory mogą obserwować i analizować pierwotną "zupę", badając w ten sposób podstawowe własności cząstek i ich łączenie się, prowadzące do powstania zwykłej materii.
Piąta siła natury
Młodzi fizycy nie przywiązują się jednak do "czystego" Modelu Standardowego. Powstała cała rodzina pochodnych modeli CHM (composite Higgs models). Proponujący je naukowcy oczekują nie tyle potwierdzenia supersymetrii, ile dowodów na słuszność nowych modeli, po restarcie Wielkiego Zderzacza Hadronów.
Zgodnie z modelami CHM bozon Higgsa nie jest cząstką elementarną, choć ma określony wymiar 10−18 m (9). Składa się z mniejszych składników, podobnie jak jądro atomowe, związanych nieznaną dotychczas "piątą siłą natury" - oddziaływaniem podobnym do tego, które wiąże kwarki w protonach i neutronach.
Jednym z głównych przewidywań modelu jest powstawanie nowego rodzaju cząstek na poziomach TeV masy. Mają być stanami wzbudzonymi cząstki Higgsa. Mogą tworzyć się w kolizjach o energiach przekraczających ich masę. Mogą też zakłócać obserwacje zgodne z Modelem Standardowym.
Według najdalej idących koncepcji wszystkie cząstki MS mają partnerów o dużych masach, np. fotony, bozony W i Z mają wielkomasowe odpowiedniki na poziomach ok. 1012 eV. I właśnie te "supercząstki", z ich nadmiarową masą, mogą być odpowiedzią na pytania o brakującą masę i energię we Wszechświecie. Sugerowałoby to rozwiązanie tajemnic ciemnej materii i energii. Tylko że najpierw trzeba znaleźć jakiekolwiek eksperymentalne potwierdzenie dla tych spekulacji.
