Absența supersimetriei la LHC îi încurcă pe fizicieni

O teorie frumoasă, dar nedovedită, a fizicii particulelor se ofilește în lumina dură a datelor.

Timp de zeci de ani, mulți fizicieni ai particulelor s-au dedicat îndrăgitei teorii, cunoscută sub numele de supersimetrie. Dar începe să pară că grădina zoologică de noi particule pe care o prezice teoria – verii mai grei ale particulelor cunoscute – ar putea trăi doar în imaginația fizicienilor. Sau dacă astfel de particule, cunoscute sub numele de superparteneri, există, nu sunt ceea ce se așteptau fizicienii.

Noile date de la cel mai puternic accelerator de particule din lume – Large Hadron Collider, care operează acum la energii mai mari decât oricând înainte – nu arată urme de superparteneri. Și astfel, cei mai fervenți susținători ai teoriei au început să plătească pentru excesul de încredere – sub forma unor sticle scumpe de coniac. Pe 22 august, un grup de fizicieni care a pariat că LHC va confirma rapid teoria a stabilit un pariu vechi de 16 ani. Într-o sesiune de la o întâlnire de fizică la Copenhaga, fizicianul teoretician Nima Arkani-Hamed s-a întors, prezentând o sticlă de coniac fizicienilor care au pariat că noile particule se vor materializa lent sau ar putea să nu existe deloc.

Indiferent dacă teoriile lor sunt corecte sau greșite, mulți fizicieni teoreticieni sunt pur și simplu încântați de faptul că noile date LHC le pot ancora ideile în realitate. „Bineînțeles, în cele din urmă, natura ne va spune ce este adevărat”, spune fizicianul teoretician Yonit Hochberg de la Universitatea Cornell, care a vorbit la un panou la întâlnire.

Supersimetria nu este exclusă de noile date, dar dacă noile particule există, ele trebuie să fie mai grele decât se așteptau oamenii de știință. „În acest moment, natura ne spune că, dacă supersimetria este teoria potrivită, atunci nu arată exact așa cum ne-am gândit”, spune Hochberg.

Din iunie 2015, LHC, la laboratorul european de fizică a particulelor CERN de lângă Geneva, zdrobește protoni la energii mai mari decât oricând înainte: 13 trilioane de electroni volți. Fizicienii au fost nerăbdători să vadă dacă noi particule vor ieși la aceste energii. Dar rezultatele au fost de acord în mare măsură cu modelul standard, teoria stabilită care descrie particulele cunoscute și interacțiunile lor.

Este un triumf pentru modelul standard, dar o dezamăgire pentru fizicienii care speră să dezvăluie crăpăturile din această teorie. „Există o panică la nivel scăzut”, spune fizicianul teoretician Matthew Buckley de la Universitatea Rutgers din Piscataway, NJ „Am avut mult timp fără date și, în acel timp, mulți teoreticieni au avut idei foarte convingătoare. Și acele idei s-au dovedit a fi greșite.”

Fizicienii știu că modelul standard trebuie să se defecteze undeva. Nu explică de ce universul conține mai multă materie decât antimaterie și nu reușește să identifice originile materiei întunecate și ale energiei întunecate, care reprezintă 95% din materie și energie din cosmos.

Chiar și încoronarea realizării LHC, descoperirea bosonului Higgs în 2012 (SN: 28.07.2012, str. 5), sugerează boala în cadrul modelului standard. Masa bosonului Higgs, la 125 de miliarde de electroni volți, este mult mai mică decât prezice teoria în mod naiv. Acea masă, se îngrijorează fizicienii, nu este „naturală” – factorii care contribuie la masa Higgs trebuie reglați fin pentru a se anula reciproc și a menține masa mică (SN Online: 22/10/13).

Dintre numeroasele teorii care încearcă să repare necazurile modelului standard, supersimetria este cea mai celebrată. „Supersimetria a fost această paradigmă dominantă timp de 30 de ani pentru că a fost atât de frumoasă și a fost atât de perfectă”, spune fizicianul teoretician Nathaniel Craig de la Universitatea din California, Santa Barbara. Dar supersimetria devine din ce în ce mai puțin atrăgătoare pe măsură ce LHC colectează mai multe coliziuni fără semne de superparteneri.

Supersimetria rezolvă trei probleme majore din fizică: explică de ce Higgs este atât de ușor; oferă o particulă care servește drept materie întunecată; și implică faptul că cele trei forțe ale modelului standard (electromagnetismul și forțele nucleare slabe și puternice) se unesc într-una la energii mari.

Dacă o versiune simplă a supersimetriei este corectă, probabil că LHC ar fi trebuit să detecteze deja superparteneri. Pe măsură ce LHC exclude astfel de particule la mase din ce în ce mai mari, păstrarea proprietăților atrăgătoare ale supersimetriei necesită contorsiuni teoretice din ce în ce mai complicate, eliminând ideea de eleganță care i-a convins pentru prima dată pe oamenii de știință să o îmbrățișeze.

Povestea continuă după grafică

„Dacă există supersimetrie, nu este supersimetria părinților mei”, spune Buckley. „Asta înseamnă că nu poate fi cea mai convingătoare versiune.”

Cu toate acestea, mulți fizicieni adoptă o atitudine de „păstrați calmul și continuați”. Ei nu renunță la speranța că dovezile pentru teorie – sau alte fenomene noi de fizică a particulelor – vor apărea în curând. „Nu sunt încă deosebit de îngrijorat”, spune fizicianul teoretician Carlos Wagner de la Universitatea din Chicago. „Cred că este prea devreme. Tocmai am început acest proces.LHC a furnizat doar 1% din datele pe care le va colecta de-a lungul vieții sale. Speranțele de a găsi rapid noi fenomene erau prea optimiste, spune Wagner.

Fizicienii experimentați, de asemenea, susțin că există destul loc pentru noi descoperiri. Dar ar putea dura ani pentru a le descoperi. „Aș fi foarte, foarte fericit dacă am fi capabili să găsim niște fenomene noi, o nouă stare a materiei, în primii doi sau trei ani” de la funcționarea LHC la energia sa sporită, a declarat Tiziano Camporesi de la experimentul CMS al LHC în timpul o conferință de presă la Conferința Internațională pentru Fizica Energiei Înalte, desfășurată la Chicago în august. „Asta ar însemna că natura a fost bună cu noi.”

Dar alți oameni de știință LHC recunosc că până acum se așteptau la noi descoperiri. „Faptul că nu am văzut ceva, cred, este, în general, destul de surprinzător pentru comunitate”, a spus Guy Wilkinson, purtător de cuvânt al experimentului LHCb. „Acesta nu este un eșec – poate că asta ne spune ceva.” Lipsa de noi particule îi obligă pe fizicienii teoreticieni să ia în considerare noi explicații pentru masa lui Higgs. Pentru a fi în concordanță cu datele, aceste explicații nu pot crea particule noi pe care LHC ar fi trebuit să le vadă deja.

Unii fizicieni – în special cei din generațiile tinere – sunt gata să treacă la idei noi. „Eu personal nu sunt atașat de supersimetrie”, spune David Kaplan de la Universitatea Johns Hopkins. Kaplan și colegii au propus recent ipoteza „relaxării”, care permite masei Higgs să se schimbe – sau să se relaxeze – pe măsură ce universul evoluează. Conform acestei teorii, masa Higgs rămâne blocată la o valoare mică, fără a atinge niciodată masa mare prezisă altfel.

O altă idee, pe care Craig o favorizează, este o familie de teorii cu numele de „naturalitate neutră”. Ca și supersimetria, această idee propune simetrii ale naturii care rezolvă problema masei Higgs, dar nu prezice noi particule care ar fi trebuit să fie văzute la LHC. „Teoriile nu sunt la fel de frumoase ca o simplă supersimetrie, dar sunt motivate de date”, spune Craig..

O idee deosebit de controversată este ipoteza multiversului. Pot exista nenumărate alte universuri, cu mase Higgs diferite în fiecare. Poate că oamenii observă un astfel de Higgs ușor, deoarece o masă mică este necesară pentru ca elementele grele precum carbonul să fie produse în stele. Oamenii ar putea trăi într-un univers cu un Higgs mic, deoarece este singurul tip de univers în care poate exista viața.

Este posibil ca temerile fizicienilor să fie realizate – LHC ar putea livra bosonul Higgs și nimic altceva. Un astfel de rezultat ar lăsa fizicienilor teoreticieni puține indicii cu care să lucreze. Totuși, spune Hochberg, „dacă acesta este cazul, încă vom învăța ceva foarte profund despre natură”.


Nota editorului: această poveste a fost actualizată la 9 septembrie 2016, pentru a oferi afilierea preferată a lui Carlos Wagner.