Este prea devreme pentru a declara supersimetria o tragedie

Prima din două părți

Dacă Shakespeare ar fi în viață astăzi, ar scrie o tragedie despre fizică. Cred că l-ar numi Romeo și SUSY.

Ar începe cu Romeo, un fel de avatar pentru toți fizicienii teoreticieni, îndrăgostindu-se profund de SUSY, o întruchipare foarte frumoasă, dar și foarte timidă a celor mai profunde înțelegeri ale realității. Romeo nu o întâlnise niciodată pe SUSY. Era un fel de creatură magică, mitică, poate un pic ca Hermione Granger. Romeo o venera totuși, încântat de relatările despre marea ei frumusețe și rafinamentul intelectual.

Timp de trei decenii, Romeo a căutat în departe SUSY, ajungând în cele din urmă la ultima ei ascunzătoare imaginabilă, într-un tunel de lângă Geneva. S-a apropiat atât de mult, dar apoi a explodat un magnet și a trebuit să mai aștepte câțiva ani. În cele din urmă a trecut prin tunel și nu a găsit-o pe SUSY acolo. Așa că Romeo, în disperare, și-a declarat viața un eșec fără sens și a trebuit să decidă între a se sinucide sau a scrie un blog.

Pentru a auzi mulți fizicieni vorbind în aceste zile, Romeo ar trebui să meargă înainte și să opteze pentru viermi ca cameriste și să moară cu un sărut. Pe de altă parte, sunt câțiva care spun că mai există ceva purpuriu în obrajii și buzele lui SUSY. Sau cel puțin poate are o soră și mai fierbinte care este încă în viață.

OK, scenariul din viața reală de astăzi nu este atât de groaznic încât fanii SUSY ar trebui să se otrăvească. Dar fizicienii par să fie agitați în aceste zile cu privire la descoperirile experimentale, sau lipsa acestora, la Large Hadron Collider, cel mai puternic distrugător de atomi din lume. (Ocupă tunelul din afara Genevei.) Toată lumea s-a bucurat anul trecut când LHC a găsit bosonul Higgs. Dar, după reflecție, mulți s-au întristat că Higgs a fost singurul lucru mare pe care LHC l-a găsit. Nu SUSY!

SUSY este prescurtarea pentru supersimetrie, favoritul șanselor pentru a rezolva multe dintre misterele despre lumea fizică care i-au uimit pe teoreticieni de zeci de ani. Se presupune că LHC ar trebui să producă dovezi reale pentru SUSY, dar nu a făcut-o. Așa că unii fizicieni au început să declare SUSY moartă, sau cel puțin pe suport de viață. În consecință, spun ei, fizica se confruntă acum cu una dintre cele mai mari crize din istoria sa. O plângere tipică, dintr-un articol recent:

„După trei ani de mare succes experimental lucrează la Large Hadron Collider (LHC) la CERN, teoretic fizica se află aparent în cea mai mare criză din istoria sa.” Descoperirile experimentale „au eliminat aproape supersimetria ca o posibilă teorie fizică. Pare inevitabil că trebuie să ne confruntăm cu scenariul de coșmar (adică fără semne de fizică nouă la LHC) și colapsul fără precedent a deceniilor de muncă speculativă.”

În septembrie, Neil Turok, directorul Institutului Perimeter din Canada, a aruncat lichid de brichetă în flăcări în timpul unei prelegeri adresate studenților. „Fizica teoretică se află la o răscruce chiar acum. Într-un fel, am intrat într-o criză foarte profundă”, a spus el. SUSY (și alte teorii) au prezis că LHC va găsi noi particule. „Și nu sunt acolo”, a declarat Turok. „Și astfel, în mare măsură, teoriile au eșuat.”

Poate. Dar s-ar putea să nu fie chiar atât de rău. Poate că un mic context este în regulă, începând cu motivul pentru care fizicienii au iubit atât de mult SUSY în primul rând și apoi investigând puțin mai profund motivele de îngrijorare. Se pot dovedi a fi diferite moduri în care piesa s-ar putea încheia fără ca toată lumea să moară.

În primul rând, supersimetria pare o idee atât de bună pentru fizicieni, deoarece simetria chiar și fără super a avut atât de mult succes. (La urma urmei, nu este o supernova mai bună decât o nova? Supermodelul mai bun decât un model? Superman mai bun decât Clark Kent?) Simetria și-a arătat puterea în teoria relativității a lui Einstein, de exemplu, și mai târziu în dezvoltarea teoriei moderne de particule și forțe, modelul standard (sau, așa cum îi place laureatul Nobel Frank Wilczek să-l numească, Teoria materiei).

În acest context, simetria este un concept matematic, dar are ilustrațiile sale nematematice. Cel mai elementar, simetria înseamnă că schimbarea unui lucru nu schimbă totul sau, ca slogan, simetria este schimbare fără schimbare. (Fizicienii preferă să spună invarianță sub transformare, dar este aceeași idee). Dacă te uiți la un cerc într-o oglindă, ai răsturnat la stânga și la dreapta, dar cercul arată exact la fel. Posedă simetrie a imaginii în oglindă. Dacă rotiți un fulg de zăpadă cu 60 de grade, arată exact ca înainte de a-l roti. Simetria rotațională.

Toate acestea și alte simetrii pot fi descrise cu ecuații care par a fi foarte utile pentru a înțelege universul. Einstein a fost deosebit de abil când a fost vorba de simetrie. Teoria sa a relativității întruchipează principiul conform căruia legile fizicii rămân aceleași indiferent de modul în care te miști. În anii 1920, fizicianul maghiar Eugene Wigner a fost pionier în aplicarea matematicii simetriei la fizica particulelor, descriind proprietățile particulelor folosind „numere cuantice” care apar din ecuațiile care descriu simetriile. Ecuațiile de simetrie l-au determinat pe Murray Gell-Mann să propună existența quarcilor în 1964.

Urmărirea ulterioară ghidată de matematica simetriei a condus la crearea, în anii 1970, a modelului standard, care oferă o descriere precisă a tuturor particulelor și forțelor de bază ale naturii. Unele dintre acele particule nu au fost descoperite la acea vreme, dar toate au fost descoperite de atunci, inclusiv bosonul Higgs chiar anul trecut. Symmetry are un palmares mai bun decât Bill Belichick și este mult mai politicos.

De mult, însă, a fost clar că simetriile modelului standard nu rezolvă toate problemele pe care le pune natura. În anii 1970, exact când modelul standard lua formă, diverși fizicieni au început să exploreze simetrii suplimentare. În special, câțiva cercetători au descoperit o simetrie (numită în cele din urmă supersimetrie) care leagă particulele de materie (din punct de vedere tehnic, fermionii) cu particulele de forță (bosonii). În 1981, Savas Dimopoulos și Howard Georgi au produs matematica care descrie versiunea supersimetrică completă a modelului standard. Pentru fiecare fermion din modelul standard, ar trebui să existe un boson partener supersimetric. Fiecare boson standard ar trebui să aibă un fermion superpartener. Deci natura ar trebui să posede de două ori numărul de particule cunoscute.

Dimopoulos mi-a spus odată că dublarea numărului de particule din natură nu a fost atât de radicală pe cât ar fi putut părea. El a subliniat că considerente similare au înmulțit numărul de particule din natură înainte. La sfârșitul anilor 1920, Wolfgang Pauli și-a dat seama că electronii trebuie să aibă o proprietate cu două valori, cunoscută mai târziu sub numele de spin. Acesta a fost într-adevăr același lucru cu dublarea numărului de electroni, a spus Dimopoulos. Și câțiva ani mai târziu, Paul Dirac a propus existența antimateriei – o nouă „antiparticulă” pentru fiecare particulă cunoscută. Dimopoulos și Georgi pur și simplu făceau din nou același lucru.

A existat o mică problemă (de fapt, mare): nu există dovezi pentru astfel de particule. Prin urmare, superparticulele trebuie să fie mult mai masive decât partenerii lor standard – altfel ar fi fost deja observate. De aici și nevoia de zdrobitori puternici de atomi, capabili să atingă energii suficient de mari pentru a produce astfel de particule. După majoritatea calculelor, LHC ar fi trebuit să aibă suficientă energie pentru a produce cea mai ușoară dintre superparticule. Dar chiar dacă LHC a reușit să găsească Higgs, nu a reușit să găsească niciun semn de SUSY. Pentru a auzi unii fizicieni spunând-o, nu a existat niciodată o poveste cu mai mult vai.

Dar să ne amintim că Shakespeare nu scrie această poveste. Poate fi corect să spunem că cea mai simplă versiune a SUSY (cunoscută sub numele de modelul standard supersimetric minimal) pare puțin șubredă. Dar asta nu este sfârșitul piesei.

Au fost propuse multe variații ale SUSY – cu alte cuvinte, SUSY are frați și veri, poate nu la fel de frumoși ca SUSY, dar încă posibil să ajute la rezolvarea unora dintre problemele restante cu care se confruntă fizica astăzi. Neprezentarea lui SUSY la LHC poate să nu implice absența supersimetriei în natură, ci doar că particulele superpartenere din versiunea corectă a SUSY sunt prea grele pentru ca LHC să le vadă.

Particulele SUSY mai grele reprezintă totuși o problemă. Ele par să complice teoria mai mult decât este necesar și pot sfidează un criteriu pe care fizicienii îl numesc „naturalitate”, așa cum a subliniat Nathaniel Craig de la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton în prelegerile recente, publicate pe arXiv.org.

„Marșul rezultatelor nule sugerează că ne-am înșelat în cea mai mare parte în ceea ce privește exact cum ar apărea supersimetria la LHC”, scrie Craig.

Se dovedește că dacă SUSY trăiește sau moare poate depinde de modul în care fizicienii decid să definească ceea ce este natural și dacă ar trebui să insiste ca o teorie să fie cât mai simplă sau parsimonioasă. Și aceasta se dovedește a fi o sarcină destul de complicată. Va urma.

Urmărește-mă pe Twitter: @tom_siegfried