Nathi Magubane, Pensilvaniya Universiteti

Stefani Baum tərəfindən redaktə edilmişdir , Andrew Zinin tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləri2018-ci ildə götürülmüş məlumatlardan siqnal bölgəsində hadisənin göstərilməsi. p _T = 1.2 TeV olan piksel treklet namizədi qırmızı bərk xətt və digər daxili detektor izləri nazik narıncı xətlərlə göstərilir. Jetlər şəffaf sarı, mavi və qırmızı konuslarla göstərilir. Çatışmayan eninə impuls ağ nöqtəli xətt ilə göstərilir. Yaşıl və sarı çubuqlar müvafiq olaraq maye arqonda və parıldayan kafel kalorimetrlərində enerji yataqlarını göstərir. Hadisə həm elektrozəif, həm də güclü istehsal siqnal bölgələri üçün ümumidir. Hadisə və qaçış nömrələri sol alt küncdə göstərilir. Kredit: ATLAS Əməkdaşlıq CERN

Fizikada bir-birinə tam uyğun gəlməyən iki böyük düşüncə sütunu var. Hissəciklər fizikasının Standart Modeli bütün məlum əsas hissəcikləri və üç qüvvəni təsvir edir: elektromaqnetizm, güclü nüvə qüvvəsi və zəif nüvə qüvvəsi. Eyni zamanda, Eynşteynin ümumi nisbilik nəzəriyyəsi cazibə qüvvəsini və məkan zamanının quruluşunu təsvir edir.

Pensilvaniya Universitetinin nəzəri fizikası Conatan Hekman deyir ki, lakin bu çərçivələr bir çox cəhətdən əsaslı şəkildə uyğun gəlmir. Standart Model qüvvələrə hissəciklərin dinamik sahələri kimi yanaşır, ümumi nisbilik isə cazibəni kosmos-zamanın hamar həndəsəsi kimi qəbul edir, ona görə də cazibə qüvvəsi “fizikanın Standart Modelinə uyğun gəlmir” deyə izah edir.

Ph.D. Heckman , Rebecca Hicks , Ph.D. Penn İncəsənət və Elmlər Məktəbinin tələbəsi və onların əməkdaşları bu tənqidi öz üzərlərinə götürürlər. Müəlliflər sim nəzəriyyəsinin nəyi proqnozlaşdırdığını soruşmaq əvəzinə, onun qəti şəkildə nə yarada bilməyəcəyini soruşurlar. Onların cavabı Böyük Adron Kollayderində (LHC) görünə biləcək tək bir ekzotik hissəciyi göstərir. Əgər həmin hissəcik ortaya çıxsa, bütün sim nəzəriyyəsi binası, Hekmanın təbirincə desək, “böyük problem içində” olardı.

Sim nəzəriyyəsi: Yaxşı, pis, enerjiyə ac olan

Hekman deyir ki, onilliklər ərzində fiziklər kvant mexanikasını və əlavə olaraq subatomik hissəciklərin davranışını cazibə qüvvəsi ilə uzlaşdıra biləcək vahid nəzəriyyə axtarırdılar – bu ümumi nisbilikdə dinamik qüvvə kimi təsvir edilir, lakin kvant kontekstində tam başa düşülmür.

Cazibə qüvvəsi və kvant hadisələrini birləşdirmək üçün yaxşı iddiaçı sim nəzəriyyəsidir. O, bütün hissəciklərin, o cümlədən cazibə qüvvəsini təmsil edən hipotetik hissəciklərin kiçik titrəyən simlər olduğunu və bütün qüvvələri və materiyanı əhatə edən vahid çərçivə vəd edən simli nəzəriyyədir.

“Lakin sim nəzəriyyəsinin çatışmazlıqlarından biri odur ki, o, yüksək ölçülü riyaziyyatda və mümkün kainatların geniş “mənzərəsində” fəaliyyət göstərir və bu, onu eksperimental olaraq sınaqdan keçirməyi çox çətinləşdirir,” Heckman deyir ki, sim nəzəriyyəsi tanış olan dörd ölçüdən – x, y, z və zamandan daha çox şey tələb edir.

Hiks deyir: “Sim nəzəriyyəsinin əksər versiyaları cəmi 10 və ya 11 kosmik zaman ölçüsü tələb edir, əlavə ölçülər bir növ “qıvrılmış” və ya bir-birinin üstünə qatlanaraq son dərəcə kiçik tərəzilərə çevrilir” dedi.

Hekman deyir ki, məsələni daha da çətinləşdirmək üçün sim nəzəriyyəsinin fərqli davranışları, “adətən rastlaşdığımız və ya hətta cari toqquşdurucularda yaratdığımızdan çox-çox kənarda olan” nəhəng enerjilərdə özünü açıq şəkildə ortaya qoyur.

Hiks bunu uzaq bir obyekti yaxınlaşdırmağa bənzədir: Gündəlik aşağı enerjilərdə simlər, uzaq bir ipin tək bir xətt kimi göründüyü kimi müntəzəm nöqtəyə bənzər hissəciklərə bənzəyir.

“Ancaq enerjini yüksəltdiyiniz zaman qarşılıqlı təsirləri həqiqətən olduğu kimi görməyə başlayırsınız – tellərin titrəməsi və toqquşması” o izah edir. “Aşağı enerjilərdə detallar itirilir və biz sadəcə tanış hissəcikləri yenidən görürük. Sanki uzaqdan ipdəki ayrı-ayrı lifləri ayırd edə bilmirsən. Sadəcə tək, hamar bir xətt görürsən.”

Buna görə də sim nəzəriyyəsinin imzalarını axtaran fiziklər, adi hissəciklər kimi daha aşağı enerjili maskalanmalardan daha çox, əsas simlərə nəzər salmaq ümidi ilə, LHC kimi toqquşdurucularını daim daha yüksək enerjilərə itələməlidirlər.Oyna

00:0000:32SəssizParametrlərPIPTam ekrana daxil olun

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, yeniliklər və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniləmələr əldə edin .

Niyə geri dönə bilməyəcəyi bir hissəciyə sim nəzəriyyəsinə xidmət edir?

Nəzəriyyənin sınaqdan keçirilməsi çox vaxt onun etibarlılığını təsdiq edən proqnozlar axtarmaq deməkdir. Lakin Hekman deyir ki, daha güclü bir sınaq, bir nəzəriyyənin tam olaraq harada uğursuz olduğunu tapmaqdır. Elm adamları bir nəzəriyyənin qadağan etdiyi bir şeyin həqiqətən mövcud olduğunu aşkar edərlərsə, nəzəriyyə tamamilə natamam və ya qüsurludur.

Sim nəzəriyyəsinin proqnozları geniş və müxtəlif olduğundan, tədqiqatçılar bunun əvəzinə sim nəzəriyyəsinin qəbul edə bilməyəcəyi sadə hissəcik ssenarisinin olub olmadığını soruşdular.

Onlar sim nəzəriyyəsinin radioaktiv parçalanmadan məsul olan zəif nüvə qüvvəsinin qaydaları ilə bir-birinə bağlı olan hissəciklər “ailələri”, əlaqəli hissəciklər qrupları ilə necə məşğul olduğunu sıfırladılar. Tipik olaraq, hissəcik ailələri elektron və onun neytrino bacısı kimi kiçik paketlərdir və dublet adlanan səliqəli iki üzvlü paket təşkil edirlər. Simli nəzəriyyə bu təvazökar hissəcik ailələrini problemsiz kifayət qədər yaxşı idarə edir.

Bununla belə, Heckman və Hicks hər hansı məlum simli hesablamada nəzərəçarpacaq dərəcədə olmayan bir ailə müəyyən etdilər: beş üzvlü hissəciklər paketi və ya 5-plet. Hekman bunu McDonald’s-dan Whopper yeməyi sifariş etmək cəhdinə bənzədir: “Menyuda nə qədər kreativ axtarış aparsanız da, heç vaxt reallaşmır”.

Heckman deyir: “Biz əlimizdə olan hər bir alət qutusunu araşdırdıq və bu beş üzvdən ibarət paket heç vaxt görünmür”.

Bəs bu çətin 5-plet nədir?

Hicks bunu dubletin genişləndirilmiş versiyası kimi izah edir: “5-plet onun böyük ölçülü əmisi oğludur və beş əlaqəli hissəcikləri bir yerə yığır.”

Fiziklər bu zərrəciklər ailəsini Laqrangian kimi tanınan qısa riyazi düsturda, mahiyyətcə hissəciklər fizikası yemək kitabında əhatə edir. Hissəciyin özü Majorana fermionu adlanır, yəni hər iki tərəfində başları olan bir sikkəyə bənzər öz antihissəcik kimi fəaliyyət göstərir.

Belə bir hissəciyi müəyyən etmək, mövcud sim nəzəriyyəsi modellərinin mümkün olduğunu proqnozlaşdırdıqları ilə birbaşa ziddiyyət təşkil edəcək və bu xüsusi hissəcik ailəsinin LHC-də aşkar edilməsini sim nəzəriyyəsini potensial olaraq poza biləcək yüksək riskli bir sınaq halına gətirəcək.

Niyə 5-plet və yoxa çıxan iz ipucu qeyd olunmayıb

Hicks bu 5-plet strukturları aşkar etmək üçün iki əsas maneəni qeyd edir: “istehsal və incəlik”.

Kollayderdə enerji sözün əsl mənasında kütləyə çevrilə bilər; Eynşteynin E = mc²-si deyir ki, kifayət qədər kinetik oomph (E) tamamilə yeni hissəciklərin ağırlığına (m) çevrilə bilər, buna görə də karxana nə qədər ağır olarsa, yaradılış hadisəsi bir o qədər nadirdir.

Hiks enerjini (E) kütlə ilə (m) birbaşa əlaqələndirən Eynşteynin E = mc²-ə istinad edərək, “LHC bu böyük hissəcikləri saf enerjidən çıxarmaq üçün protonları kifayət qədər sərt şəkildə bir-birinə vurmalıdır” deyə izah edir. “Bu hissəciklərin kütlələri bir trilyon elektron volta doğru dırmaşdıqca, onları yaratmaq şansı kəskin şəkildə azalır.”

İstehsal edilsə belə, aşkarlanması çətin olur. 5-pletdəki yüklü hissəciklər çox tez parçalanır və demək olar ki, görünməz məhsullara çevrilir.

Hiks deyir: “Daha ağır vəziyyətlər yumşaq piona və görünməz neytral hissəcikə, sıfıra (X0) çevrilir”. “Pion o qədər az enerjilidir ki, əsasən görünməzdir və X0 düz keçir. Nəticə qarda ayaq izlərinin qəfil dayanması kimi orta detektorun yoxa çıxdığı bir trekdir.”

Bu imza izləri LHC-nin ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS üçün qısaldılmış) və CMS (Yığcam Muon Solenoid), toqquşma mərkəzinə bükülmüş ev ölçülü “rəqəmsal kameralar” tərəfindən götürülür. Onlar əks toqquşma nöqtələrində otururlar və müstəqil fəaliyyət göstərirlər, fizika ictimaiyyətinə hər bir böyük kəşfə iki dəfə nəzər salırlar. Hiks kimi Penn fizikləri ATLAS Əməkdaşlığının bir hissəsidir və yoxa çıxan izlər kimi qəribə siqnalları axtaran axtarışları yerinə yetirməyə kömək edir.ATLAS-ın təkər kimi uç qapağı LHC-də proton parçalanmalarını tutmaq üçün hazırlanmış sensorların labirintini ortaya qoyur. Tədqiqatçılar sim nəzəriyyəsindəki çatlaqları üzə çıxara biləcək qaçaq “kabus” izləri axtarmaq üçün milyardlarla hadisəni araşdırırlar. Kredit: CERN

Qaranlıq maddə üçün 5-plet niyə vacibdir?

Hiks deyir ki, 5-pletin tapılması təkcə sim nəzəriyyəsini sınaqdan keçirmək üçün vacib deyil və başqa bir maraqlı ehtimala işarə edir: “5-pletin neytral üzvü qaranlıq maddəni , kainatımızın əksər maddələrini formalaşdıran sirli kütləni izah edə bilər”.

Qaranlıq maddə kainatdakı bütün maddələrin təxminən 85% -ni təşkil edir, lakin elm adamları hələ də bunun nə olduğunu bilmirlər.

Hiks deyir: “Əgər 5-plet təxminən 10 TeV ağırlığındadırsa – təxminən 10.000 proton kütləsi – bu, Böyük Partlayışdan sonra qaranlıq maddənin meydana gəlməsi ilə bağlı nəzəriyyələrə tam uyğun gəlir”. “Daha yüngül 5-liklər hələ də daha geniş qaranlıq maddə mənzərəsinin bir hissəsi kimi rol oynaya bilər.”

Hicks deyir: “Əgər biz 5-lilik aşkar etsək, bu, ikiqat qələbədir”. “Biz sim nəzəriyyəsinin əsas proqnozlarını təkzib edərdik və eyni zamanda qaranlıq maddə ilə bağlı yeni ipuçlarını aşkar edərdik.”

LHC artıq nəyi istisna etdi

Kollayderlərin mövcud ATLAS məlumatlarından istifadə edərək, komanda xüsusi olaraq 5-plet siqnalları axtardı. “Biz əvvəlcə “charginos” üçün nəzərdə tutulmuş axtarışları yenidən şərh etdik – supersimmetriya ilə proqnozlaşdırılan hipotetik yüklü hissəciklər – və 5-plet imzaları axtardıq” Hicks komandanın yenidən təyin edilmiş ATLAS yoxa çıxma izi məlumatları vasitəsilə axtarışı haqqında deyir. “Hələ heç bir dəlil tapmamışıq, bu o deməkdir ki, hər hansı 5 qatlı hissəcik ən azı 650-700 GeV, Hiqqs bozonundan beş dəfə ağır olmalıdır.”

Kontekst üçün Hekman deyir ki, “bu ilkin nəticə artıq güclü bir ifadədir; bu o deməkdir ki, daha yüngül 5-liklər yoxdur. Lakin daha ağır olanlar hələ də masadadır.”

Təkmilləşdirilmiş LHC təcrübələri ilə gələcək axtarışlar daha da kəskin sınaqlar vəd edir. Hicks deyir: “Biz sim nəzəriyyəsinin uğursuzluğa düçar olması üçün köklənmirik”. “Biz onu stress-test edirik, dayanıb-davam etmədiyini görmək üçün daha çox təzyiq tətbiq edirik.”

Hekman deyir: “Əgər sim nəzəriyyəsi sağ qalsa, fantastikdir”. “Əgər çaxnaşarsa, təbiət haqqında dərin bir şey öyrənəcəyik.”

Daha çox məlumat: Metyu Baumqart və digərləri, Kollayderdə sim nəzəriyyəsini necə saxtalaşdırmaq olar, Fiziki İcmal Araşdırması (2025). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.7.023184

Jurnal məlumatı: Physical Review Research 

Pensilvaniya Universiteti tərəfindən təmin edilmişdir